JP2004031866A - 半導体集積回路装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板上の銅膜27b等よりなる第1層配線M1上の、窒化シリコン膜28、酸化シリコン膜29、窒化シリコン膜30および酸化シリコン膜31中に、コンタクトホール32および配線溝33を形成し、Ta膜36a、TaN膜36bおよびTa膜36cの積層膜よりなるバリア層36を形成した後、シード層となる銅膜37aを形成し、電界メッキ法により銅膜37bを形成し、配線溝33およびコンタクトホール32外部の銅膜37a、37bおよびバリア層36をCMPにより除去して、第2層配線M2および第2層配線と第1層配線との接続部P2を形成する。このTa膜36aによって第1層配線M1(銅膜27b)との接着性が確保できる。
【選択図】 図8
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置に関するものであって、特に、絶縁膜中に配線用の溝を形成後、銅(Cu)膜を溝内部に埋め込む、いわゆるダマシン法により形成されるCu配線に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路装置における配線の微細化および多層化に伴い、絶縁膜中に配線用の溝を形成後、導電膜を溝内部に埋め込むことにより配線を形成する、いわゆるダマシン技術が採用されている。
【0003】
さらに、埋め込む導電膜としては、抵抗の小さい銅膜が検討されている。
【0004】
例えば、特開2001−274162号公報においては、ビア用の穴と配線用の溝内にCu膜(23)を形成し、さらに、この上部に中間層(33)を介し、Al膜(34)を形成する技術が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、ダマシン技術を用いた多層のCu配線について検討しており、かかる配線を有する半導体集積回路装置のストレス・マイグレーション(Stress Migration)試験、例えば、長時間、200℃の雰囲気下に晒す試験において、ビア抵抗(接続部抵抗)が増加するという問題に直面した。
【0006】
このビア抵抗の増加は、下層のCu配線とその上部のビア底との境界において、バリア層が剥離することが原因の一つとして知られている。
【0007】
なお、発明者らが、検討したバリア層は、窒化タンタル(TaN)およびタンタル(Ta)の積層膜であり、Cu配線側がTaN膜、ビア側がTa膜であった。
【0008】
本発明の目的は、Cu配線とビア部(接続部)との接着性(密着性)を向上させ、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性を向上させることにある。また、配線寿命を長くすることにある。
【0009】
また、本発明の他の目的は、Cu配線を有する半導体集積回路装置の信頼性を向上させることにある。
【0010】
本発明の前記目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0012】
本発明の半導体集積回路装置は、(a)半導体基板上に形成された第1銅膜と、(b)前記第1銅膜上に形成された絶縁膜と、(c)前記絶縁膜中であって、前記第1銅膜上に形成された溝と、(d)前記溝の側壁および底部に形成された導電性膜と、(e)前記溝の内部であって、前記導電性膜上に形成された第2銅膜と、を有し、(f)前記導電性膜は、(f1)前記溝底部において、銅との密着性が高く、(f2)前記溝の側壁において、銅の拡散を防止する膜、である。
【0013】
この導電性膜を、例えば、(f1)前記第1銅膜上に形成され、銅との密着性が高い第1膜と、(f2)前記第1膜上に形成され、銅の拡散を防止する第2膜と、(f3)前記第2膜上に形成され、銅との密着性が高い第3膜と、で構成してもよい。
【0014】
また、この導電性膜を、(f1)前記溝の側壁上に形成され、前記溝の底部上に形成されない第1膜であって、銅の拡散を防止する第1膜と、(f2)前記第1膜上および前記溝の底部上に形成され、銅との密着性が高い第2膜と、で構成してもよい。
【0015】
銅との密着性が高い膜とは、例えば、Ta(タンタル)、Ti(チタン)、W(タングステン)、Nb(ニオブ)、Cr(クロム)、Hf(ハフニウム)、Mo(モリブデン)、Zr(ジルコニウム)、Re(レニウム)、Ru(ルテニウム)もしくはIr(イリジウム)の金属膜であり、銅の拡散を防止する膜とは、例えば前記金属の窒化物である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0017】
(実施の形態1)
図1から図15は、本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を工程順に示した基板の要部断面図である。
【0018】
まず、図1に示すように、例えばp型の単結晶シリコンからなる半導体基板(以下、単に「基板」という)1を用意し、基板1の主面に素子分離2を形成する。素子分離2を形成するには、まず、基板1をエッチングして溝を形成した後、半導体基板1を熱酸化することによって、溝の内壁に薄い酸化シリコン膜(図示せず)を形成する。次に、溝の内部を含む半導体基板1上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法で溝を埋め込む程度の酸化シリコン膜を堆積し、溝外部の酸化シリコン膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing)により除去することによって、その表面を平坦化する。
【0019】
次に、基板1にp型不純物(例えばホウ素)およびn型不純物(例えばリン)をイオン打ち込みした後、熱処理し不純物を拡散させることによって、p型ウエル3およびn型ウエル4を形成する。
【0020】
その後、基板1の表面を洗浄し、続いて基板1を熱酸化することによって、その表面に清浄なゲート酸化膜5を形成する。
【0021】
次に、基板1上に多結晶シリコン膜を形成し、エッチングすることにより、ゲート電極7を形成する。
【0022】
次に、p型ウエル3上のゲート電極7の両側の基板1にn型不純物(リンまたはヒ素)をイオン打ち込みしてn−型半導体領域8を形成する。また、n型ウエル4上のゲート電極7の両側の基板1にp型不純物(例えばホウ素)をイオン打ち込みしてp−型半導体領域9を形成する。
【0023】
次いで、基板1上にCVD法で窒化シリコン膜を堆積した後、異方的にエッチングすることによりサイドウォール10をゲート電極7の側壁に形成する。
【0024】
次いで、ゲート電極7およびサイドウォール10をマスクに、p型ウエル3には、n型不純物(リンまたはヒ素)をイオン打ち込みすることによってn+型半導体領域11(ソース、ドレイン)を形成し、n型ウエル4には、p型不純物(ホウ素)をイオン打ち込みすることによってp+型半導体領域12(ソース、ドレイン)を形成する。ここまでの工程で、LDD(Lightly Doped Drain)構造のソース、ドレインを備えたnチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQpが形成される。
【0025】
次に、半導体基板1の全面にチタン等の高融点金属膜(図示せず)を形成し、基板1に熱処理を施すことにより、高融点金属膜と、ゲート電極7および基板1(n+型半導体領域11およびp+型半導体領域12)との接触部にシリサイド層16を形成する。その後、未反応の高融点金属膜を除去する。シリサイド層16を形成することにより、プラグP1等との接続抵抗を低減することができ、また、ゲート電極7やn+型半導体領域11もしくはp+型半導体領域12自身のシート抵抗を低減することができる。
【0026】
次に、CVD法により酸化シリコン膜を堆積することにより、層間絶縁膜18を形成し、その表面をCMPにより平坦化する。
【0027】
次に、n+型半導体領域11もしくはp+型半導体領域12上の層間絶縁膜18を適宜エッチングにより除去することによりコンタクトホール20を形成する。
【0028】
次に、コンタクトホール20内を含む層間絶縁膜18上に、CVD法により窒化チタン膜を形成した後、CVD法によりタングステン(W)膜を形成する。次いで、コンタクトホール20以外の窒化チタン膜(TiN)およびW膜をCMPにより除去し、プラグP1を形成する。なお、前記窒化チタン膜は、スパッタ法により形成してもよい。また、この窒化チタン膜は、チタンと窒化チタンとの積層膜とすることもできる。
【0029】
次に、層間絶縁膜18およびプラグP1上に、窒化シリコン膜22を形成し、次いで、酸化シリコン膜23をCVD法により堆積する。
【0030】
次いで、第1層配線形成予定領域上の酸化シリコン膜23をエッチングにより除去し、さらに、このエッチングにより露出した窒化シリコン膜22をエッチングすることにより配線溝25を形成する。この窒化シリコン膜22は、エッチングストッパーとして利用される。
【0031】
次に、配線溝25内を含む酸化シリコン膜23上に、バリア層26をスパッタ法もしくはCVD法により堆積する。
【0032】
このバリア層26は、例えば、TaN(窒化タンタル)膜26aおよびTa(タンタル)膜26bの積層膜26であり、スパッタ法により形成することができる。また、TaN膜は、Taをスッパタする際の雰囲気に窒素を含有させることにより形成可能であり、窒素の流量を調整することにより、同一チャンバ(成膜室)内で連続して前記積層膜を形成することができる。
【0033】
次いで、バリア層26上に、薄い銅膜27aをスパッタ法により形成する。この銅膜27aは、電界メッキの際のシード層となる。
【0034】
次いで、基板(ウエハ)1を、メッキ液に浸漬し、シード層(銅膜27a)に電位を印加(電界メッキ)することによって、基板1上に、銅膜27bを析出させ、アニールを施す。
【0035】
次に、配線溝25外部の銅膜27a、27bおよびバリア層26をCMPにより除去して第1層配線M1を形成する。
【0036】
次いで、酸化シリコン膜23および第1層配線M1上に、窒化シリコン膜28、酸化シリコン膜29、窒化シリコン膜30および酸化シリコン膜31を順次CVD法により堆積する。ここで、窒化シリコン膜30は、配線溝33を形成する際のエッチングストッパーとして、また、窒化シリコン膜28は、下層の第1層配線M1との接続を図るためのコンタクトホール(接続孔、溝)32を形成する際のエッチングストッパーとして機能する。
【0037】
ここでは、層間絶縁膜として、酸化シリコン膜を使用しているが、より低誘電率の材料を用いてもよい。
【0038】
次に、第1層配線M1のコンタクト領域上の酸化シリコン膜31、窒化シリコン膜30および酸化シリコン膜29をエッチングにより除去し、さらに、このエッチングにより露出した窒化シリコン膜28をエッチングすることによりコンタクトホール32を形成する。
【0039】
次いで、コンタクトホール32内を含む酸化シリコン膜31上に反射防止膜もしくはレジスト膜(図示せず)を形成し、コンタクトホール32内を反射防止膜もしくはレジスト膜で埋め込む。さらに、第2層配線形成予定領域を開口したフォトレジスト膜(図示せず)をマスクに、反射防止膜もしくはレジスト膜、酸化シリコン膜31をエッチングする。続いて、このエッチングにより露出した窒化シリコン膜30等をエッチングすることにより配線溝33を形成する。この際コンタクトホール32内には、反射防止膜もしくはレジスト膜が残存する。次に、コンタクトホール内に残存した反射防止膜もしくはレジスト膜と上記フォトレジスト膜を除去する。
【0040】
以上の工程により、第2層配線用の配線溝33と、第2層配線と第1層配線とを接続するためのコンタクトホール32が形成される。図2に、図1の配線溝33およびコンタクトホール32近傍の部分拡大図を模式的に示す。
【0041】
なお、第2層配線形成予定領域を開口したフォトレジスト膜をマスクに、酸化シリコン膜31および窒化シリコン膜30をエッチングすることにより、配線溝33を形成した後、配線溝33内を反射防止膜等で埋め込み、第1層配線上のコンタクト領域を開口したフォトレジスト膜をマスクに、反射防止膜、酸化シリコン膜29および窒化シリコン膜28をエッチングすることによりコンタクトホール32を形成してもよい。
【0042】
また、エッチングストッパーとして用いられる窒化シリコン膜30、28は、エッチング量を時間等で制御可能な場合は、省略することが可能である。
【0043】
次に、図3に示すように、配線溝33およびコンタクトホール32内を含む酸化シリコン膜31上に、バリア層36を形成する。
【0044】
このバリア層36は、膜厚5nm程度のTa膜36a、膜厚10nm程度のTaN膜36bおよび膜厚20nm程度のTa膜36cの積層膜36であり、スパッタ法により形成することができる。また前述した通り、TaN膜は、Taをスッパタする際の雰囲気に窒素を含有させることにより形成可能である。従って、窒素の流量を調整することにより、同一チャンバ(成膜室)内で連続して前記積層膜を形成することができる。図4に、図3の配線溝33およびコンタクトホール32近傍の部分拡大図を模式的に示す。
【0045】
次いで、図5に示すように、バリア層36上に、膜厚120nm程度の銅膜37aをスパッタ法により形成する。この銅膜37aは、電界メッキの際のシード層となる。
【0046】
次いで、基板(ウエハ)1を、メッキ液に浸漬し、シード層(銅膜37a)に電位を印加(電界メッキ)することによって、基板1上に、300nm程度の銅膜37bを析出させる。次いで、銅膜(37a、37b)にアニールを施し、膜の応力を緩和し、また、銅の結晶の成長を促進させる。図6に、図5の配線溝33およびコンタクトホール32近傍の部分拡大図を模式的に示す。
【0047】
次に、図7に示すように、配線溝33およびコンタクトホール32外部の銅膜37a、37bおよびバリア層36をCMPにより除去して、第2層配線M2および第2層配線と第1層配線との接続部P2を形成する。図8に、図7の配線溝33およびコンタクトホール32近傍の部分拡大図を模式的に示す。
【0048】
このように、本実施の形態によれば、バリア層36を、Ta膜36a/TaN膜36b/Ta膜36cの3層構造とした。即ち、第1層配線M1と接続部P2との間は、銅膜27b/Ta膜36a/TaN膜36b/Ta膜36c/銅膜37aとなる。
【0049】
この際、Ta膜は、銅膜との密着性が高く、銅膜27bとTa膜36aとの密着性を高めることにより、第1層配線M1と接続部P2との剥離を低減することができる。また、剥離によるボイドの発生、成長を抑え、ストレスマイグレーション(SM)特性、エレクトロマイグレーション(EM)特性を向上させることができる。
【0050】
また、Ta膜36cと銅膜37aとの密着性を高めることにより、接続部P2の側壁や底部における銅膜37aの剥離を低減することができる。また、剥離によるボイドの発生、成長を抑え、ストレスマイグレーション(SM)特性、エレクトロマイグレーション(EM)特性を向上させることができる。
【0051】
また、Ta膜(36a、36c)間には、TaN膜36bが存在しており、第2層配線M2および接続部P2中のCuが酸化シリコン膜29、31等の層間絶縁膜中に拡散することを防止することができる。このTaN膜は、アモルファス状態もしくはアモルファスに類似の状態の膜であり、銅との反応が少ないことから銅の拡散を防止することができる。なお、窒化シリコン膜28および32も、Cuの拡散を防止する機能を有する。
【0052】
特に、配線や接続部に銅を用いた場合には、その抵抗値が小さく、配線の低抵抗化が図れる等のメリットが大きい。しかしながら、銅は絶縁膜中に拡散し易く、絶縁膜を介するショート等の原因となるため、銅の拡散の防止対策が重要となる。
【0053】
一方、拡散防止用の膜と、銅膜や絶縁膜との密着性が悪いと、これらの膜の境界に剥離が生じ、接続不良の要因となる。また、剥離が生じないまでも、ストレスマイグレーション試験時等においては、高温下(ストレス下)に晒されることとなり、Cu原子が移動しボイドが発生しやすくなる。また、Cu原子の移動によりボイドの成長が起こり接続不良を生じさせ得る。また、配線と接続部間においては応力が集中しやすく、ボイドが発生しやすい。
【0054】
従って、銅の拡散防止と密着性との両方を兼ね備えたバリア層が必要となり、本実施の形態のバリア層を用いて好適である。
【0055】
また、本実施の形態においては、バリア層36を、Ta膜36a/TaN膜36b/Ta膜36cの3層としたが、この他の金属M/金属Mの窒化物/金属Mの積層膜としてもよい。金属Mとは、Ti(チタン)、W(タングステン)、Nb(ニオブ)、Cr(クロム)、Hf(ハフニウム)、Mo(モリブデン)、Zr(ジルコニウム)、Re(レニウム)、Ru(ルテニウム)、もしくはIr(イリジウム)である。
【0056】
中でも、Taは、銅との反応性が低いこと、導電性を持ち、かつ銅に対するバリア性が高い窒化物を生成しやすこと、また、高温での安定性が高いことから、本実施の形態に用いて好適である。
【0057】
また、W、Ti、Nb、Zrは銅との反応性が小さく、窒化物を生成可能である。また、Cr、Hf、Re、Ru、Irは銅との反応性が小さいという特性を有する。
【0058】
また、金属Mの窒化物の他、炭化物など、含有させても導電性を有し、かつ、その状態がアモルファスもしくはアモルファスに類似の状態、例えば、結晶粒界がない、もしくは通常の金属の状態より結晶粒界が少ない状態となるような元素との化合物を用いても良い。
【0059】
また、金属M/金属Mの窒化物/金属Mの積層において、Mは同一金属を用いてもよいし、異なる金属の組み合わせでもよい。例えば、Mが同一の場合は、前述した通り、窒素の流量を調整することにより同一チャンバ内で成膜可能である等、製造方法の簡略化を図ることができる。また、銅との密着性が高く安定な金属膜と、導電性が高く銅に対するバリア性が高い窒化膜とを任意に組み合わせる場合には、Mが異なる場合があるが、密着性とバリア性をより良く両立できる。
【0060】
次に、図9に示すように、酸化シリコン膜31および第2層配線M2上に、窒化シリコン膜38、酸化シリコン膜39、窒化シリコン膜40および酸化シリコン膜41を順次CVD法により堆積し、接続部P2および第2層配線M2と同様に、接続部P3および第3層配線M3を形成する。バリア層46は、Ta膜46a/TaN膜46b/Ta膜46cの3層構造であり、47a、47bは、銅膜である。
【0061】
次いで、図10に示すように、酸化シリコン膜41および第3層配線M3上に、窒化シリコン膜48を形成し、次いで、酸化シリコン膜49をCVD法により堆積する。
【0062】
次いで、第3層配線M3上の酸化シリコン膜49をエッチングにより除去し、さらに、このエッチングにより露出した窒化シリコン膜48をエッチングすることによりコンタクトホール50を形成する。
【0063】
次に、コンタクトホール50内を含む酸化シリコン膜49上に、バリア層51を形成する。このバリア層51もバリア層36等と同様に形成することができ、例えば、Ta膜51a、TaN膜51bおよびTa膜51cの積層膜で構成できる。
【0064】
次いで、バリア層51上に、シード層となる薄い銅膜52aをスパッタ法により形成し、さらに、その上部に、電界メッキ法により銅膜52bを形成する。
【0065】
その後、コンタクトホール50外部の銅膜52a、52bおよびバリア層51をCMPにより除去し、プラグP4を形成する。
【0066】
次に、図11に示すように、プラグP4および酸化シリコン膜49上に、窒化シリコン膜53を形成し、次いで、酸化シリコン膜54をCVD法により堆積する。なお、図11においては、MISFET(Qn、Qp)およびプラグP1等の表示を省略してある。
【0067】
次いで、第4層配線形成予定領域上の酸化シリコン膜54をエッチングにより除去し、さらに、このエッチングにより露出した窒化シリコン膜53をエッチングすることにより配線溝55を形成する。
【0068】
次に、配線溝55内を含む酸化シリコン膜54上にバリア層56(Ta膜56a、TaN膜56bおよびTa膜56cの積層膜)をバリア層36と同様に形成する。さらに、バリア層56上に、シード膜となる銅膜57aをスパッタ法により形成し、さらに、その上部に銅膜57bを電界メッキ法により形成する。
【0069】
次に、配線溝55外部の銅膜57a、57bおよびバリア層56をCMPにより除去して第4層配線M4を形成する。図12に、図11のプラグP4および第4層配線M4近傍の部分拡大図を模式的に示す。
【0070】
このように、プラグP4と第4層配線M4を構成する銅膜等を異なる工程で形成する、いわゆるシングルダマシン法を用いても良い。
【0071】
かかる場合も、先の場合(第2層配線M2、接続部P2)と同様、銅の拡散防止と密着性の向上を図ることができる。
【0072】
特に、多層配線のうち、上層部に位置する配線は、配線の厚さが大きい。従って、かかる配線を埋め込む溝を形成する絶縁膜も厚くなるため、デュアルダマシン法を用いた場合には、深いコンタクトホールを形成しなければならず、その形成が困難となる。
【0073】
次に、図13に示すように、第4層配線M4および酸化シリコン膜54上に、窒化シリコン膜58を形成し、次いで、酸化シリコン膜59をCVD法により堆積する。次いで、プラグP4と同様にプラグP5を形成する。なお、図13においては、第3層配線M3以下の層の表示を省略してある(図14および図15も同じ)。
【0074】
次に、プラグP5および酸化シリコン膜59上に、窒化シリコン膜63を形成し、次いで、酸化シリコン膜64をCVD法により堆積する。
【0075】
次いで、第5層配線形成予定領域上の酸化シリコン膜64をエッチングにより除去し、さらに、このエッチングにより露出した窒化シリコン膜63をエッチングすることにより配線溝65を形成する。
【0076】
次に、配線溝65内を含む酸化シリコン膜64上にバリア層(Ta膜66a、TaN膜66bおよびTa膜66cの積層膜)66をバリア層36と同様に形成する。さらに、バリア層66上に、シード膜となる銅膜67aをスパッタ法により形成し、さらに、その上部に銅膜67bを電界メッキ法により形成する。
【0077】
次に、配線溝65外部の銅膜67a、67bおよびバリア層66をCMPにより除去して第5層配線M5を形成する。
【0078】
次いで、図14に示すように、第5層配線M5および酸化シリコン膜64上に酸化シリコン膜70を形成する。なお、酸化シリコン膜をCVD酸化膜とSOG(Spin On Glass)膜の積層構造にする等して、酸化シリコン膜70の表面を平坦化してもよい。
【0079】
さらに、第5層配線M5のコンタクト領域上の酸化シリコン膜70をエッチングにより除去する。続いて、第5層配線M5のコンタクト領域および酸化シリコン膜70上に、チタン膜71、アルミニウム膜72および窒化チタン膜73を順次堆積し、これら積層膜を所望の形状にパターニングすることにより第6層配線M6を形成する。
【0080】
次いで、図15に示すように、第6層配線M6上に窒化シリコン膜を形成し、さらに、酸化シリコン膜を形成することにより、これらの積層膜よりなる保護膜74を形成する。
【0081】
次に、保護膜74をエッチングにより除去することにより第6層配線M6の一部(パッド部)を露出させる。続いて、露出した第6層配線M6上に金等からなるバンプ下地電極75を形成し、バンプ下地電極75上に金もしくは半田等からなるバンプ電極76を形成する。このバンプ電極76は外部接続用電極となる。
【0082】
この後、パッケージ基板等に実装され半導体集積回路装置が完成するが、それらの図示は省略する。
【0083】
(実施の形態2)
実施の形態1においては、バリア層を、Ta膜、TaN膜およびTa膜の積層膜としたが、このうちコンタクトホールの側壁のみにTaN膜を形成し、下層のTa膜を省略してもよい。なお、バリア層(例えば、36等)以外の部分は、実施の形態1と同様に形成し得るため、バリア層の形成方法について詳細に説明する。
【0084】
図16は、例えば、実施の形態1の配線溝33およびコンタクトホール32近傍を模式的に示した部分拡大図である。
【0085】
図示するように、酸化シリコン膜23および第1層配線M1上の、窒化シリコン膜28、酸化シリコン膜29、窒化シリコン膜30および酸化シリコン膜31中に、コンタクトホール32および配線溝33が形成されている。
【0086】
次いで、図17に示すように、配線溝33およびコンタクトホール32内を含む酸化シリコン膜31上に、基板にバイアス電位を印加したスパッタ法を用いて10nm程度のTaN膜236bを形成する。すなわち、基板にバイアス電位を印加した状態で、タンタルをターゲットとし、チャンバ(成膜室)内に窒素を導入しながらTaN膜を成膜する。
【0087】
ここで、コンタクトホール32の径は、微細であるためその底部や側壁に膜が堆積し難い、さらに、基板にバイアス電位を印加したスパッタ法を用いた場合には、図18に示すように、コンタクトホール32の底部に堆積した膜が、バイアスで加速された粒子によって再スパッタされその側壁に再付着する。従って、コンタクトホール底部の膜が除去され、その側壁部のみに膜が付着する(図17)。
【0088】
なお、配線溝33の底部では、コンタクトホール32の底部よりTaNの膜厚が厚く堆積されているため、配線溝33の底面や側壁にはTaN膜236bが残存する。また、コンタクトホール32等の底部に残存するTaN膜の膜厚は、バイアス条件等を適宜調整することにより制御可能である。
【0089】
次いで、図19に示すように、TaN膜236b上およびコンタクトホール32の底部上に20nm程度のTa膜36cを例えば、スパッタ法により形成する。その結果、TaN膜236bおよびTa膜36cよりなるバリア層236が形成される。
【0090】
ここで、TaN膜236bは、コンタクトホール32の底部において除去されているので、コンタクトホール32の底部において、第1層配線M1(銅膜27b)上には、Ta膜36cが形成されることとなり、これらの密着性が確保できる。従って、実施の形態1のバリア層の最下層のTa膜36aを省略することができる。
【0091】
この場合、TaN膜236bのみならず、Ta膜36aも基板にバイアス電位を印加したスパッタ法により形成することが可能である。すなわち、窒素の流量やバイアス条件を調整することにより、同一チャンバ(成膜室)内で連続してこれらの積層膜を形成することができる。
【0092】
次いで、図20に示すように、バリア層236上に、薄い銅膜37aをスパッタ法により形成する。この銅膜37aは、電界メッキの際のシード層となる。
【0093】
次いで、基板(ウエハ)1を、メッキ液に浸漬し、シード層(銅膜37a)に電位を印加(電界メッキ)することによって、基板1上に、銅膜37bを析出させ、アニールを施す。
【0094】
次に、図21に示すように、配線溝33およびコンタクトホール32外部の銅膜37a、37bおよびバリア層236をCMPにより除去して、第2層配線M2および第2層配線と第1層配線との接続部P2を形成する。
【0095】
このように、本実施の形態によれば、バリア層236を、TaN膜236b/Ta膜36cの2層構造とし、さらに、コンタクトホール底部のTaN膜236bを除去したので、第1層配線M1と接続部P2との接続抵抗を低減することができる。
【0096】
即ち、前述した通り、TaN膜236bは、Cuが酸化シリコン膜29、31等の層間絶縁膜中に拡散することを防止する機能を有する。従って、これらの絶縁膜との接触部において存在すればよい。また、TaN膜はTa膜と比較し、その抵抗値が高いため、配線との接続部においては存在しない方が好ましい。
【0097】
従って、本実施の形態においては、Ta膜36cにより銅膜(27b)との密着性を高くし、ストレスマイグレーション(SM)特性、エレクトロマイグレーション(EM)特性を向上させ、また、TaN膜236bによりCuの層間絶縁膜(酸化シリコン膜29、31等)中への拡散を防止するとともに、接続抵抗の低減を図ることができる。
【0098】
なお、このような構造のTaN膜は、例えば、フォトリソグラフィー技術を用いて、コンタクトホール32の底部以外の領域をフォトレジスト膜で覆い、コンタクトホール32の底部のTaN膜を除去することにより形成することも可能であるが、前述したようにコンタクトホール32の径は微細であり、制御性よくTaN膜を除去することは困難である。
【0099】
これに対し、本実施の形態の基板にバイアス電位を印加したスパッタ法によれば、容易に本実施の形態のTaN膜を得ることができる。
【0100】
ここでは、デュアルダマシン法で形成される接続部および配線(P2、M2、実施の形態1のP3およびM3も同様)を例に説明したが、シングルダマシン法で形成される接続部(実施の形態1のプラグP4やP5)中のバリア層も同様の構成とし、同様に形成することができる。
【0101】
図22に、例えば、実施の形態1のプラグP4に本実施の形態のバリア層251を適用した場合のプラグP4近傍の部分拡大図を示す。
【0102】
即ち、バリア層251を、TaN膜251b/Ta膜51cの2層構造とし、さらに、コンタクトホール50の底部のTaN膜251bを除去している。なお、このバリア層251は、バリア層236と同様に形成することができ、また、他の部位(第3層配線M3や銅膜52a、52b等)は、実施の形態1と同様に形成することができるので、その説明を省略する。
【0103】
なお、コンタクトホール底部のTaN膜を薄膜化し、その側壁部の膜より相対的に薄くしても良い。かかる場合も、実施の形態1の場合と比較し、接続部の抵抗を低減できる。
【0104】
但し、この場合は、下層の銅膜との界面が、TaN/Cuとなる。従って、これらの密着性を向上させるため、TaN膜の下層にTa膜(36a)を形成することが好ましい。
【0105】
以上、発明者によってなされた本発明を、実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0106】
特に、前述の実施の形態においては、MISFET上に形成された配線等に本発明を適用したが、本発明は、多層配線を用いた半導体集積回路装置に広く適用可能である。
【0107】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0108】
半導体基板上に形成された第1銅膜と、第1銅膜上の絶縁膜中の溝の内部の第2銅膜との間に導電性膜を設け、その導電性膜を、溝底部において、銅との密着性が高く、溝の側壁において、銅の拡散を防止するよう形成したので、第1銅膜と溝の内部の第2銅膜の接着性(密着性)を向上させ、また、エレクトロマイグレーション耐性を向上させることができる。また、絶縁膜中への銅の拡散を低減することができる。また、銅配線を有する半導体集積回路装置の信頼性を向上させることができる。また、ストレスマイグレーション耐性を向上させ、配線寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図3】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図4】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図5】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図6】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図7】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図8】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図9】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図10】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図11】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図12】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図13】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図14】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図15】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図16】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図17】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図18】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図19】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図20】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図21】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【図22】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板(基板)
2 素子分離
3 p型ウエル
4 n型ウエル
5 ゲート酸化膜
7 ゲート電極
8 n−型半導体領域
9 p−型半導体領域
10 サイドウォール
11 n+型半導体領域
12 p+型半導体領域
16 シリサイド層
18 層間絶縁膜
20 コンタクトホール
22 窒化シリコン膜
23 酸化シリコン膜
25 配線溝
26 バリア層
26a TaN膜
26b Ta膜
27a 銅膜
27b 銅膜
28 窒化シリコン膜
29 酸化シリコン膜
30 窒化シリコン膜
31 酸化シリコン膜
32 コンタクトホール
33 配線溝
36 バリア層
36a Ta膜
36b TaN膜
36c Ta膜
37a 銅膜
37b 銅膜
38 窒化シリコン膜
39 酸化シリコン膜
40 窒化シリコン膜
41 酸化シリコン膜
42 コンタクトホール
43 配線溝
46 バリア層
46a Ta膜
46b TaN膜
46c Ta膜
47a 銅膜
47b 銅膜
48 窒化シリコン膜
49 酸化シリコン膜
50 コンタクトホール
51 バリア層
51a Ta膜
51b TaN膜
51c Ta膜
52a 銅膜
52b 銅膜
53 窒化シリコン膜
54 酸化シリコン膜
55 配線溝
56 バリア層
56a Ta膜
56b TaN膜
56c Ta膜
57a 銅膜
57b 銅膜
58 窒化シリコン膜
59 酸化シリコン膜
60 コンタクトホール
61 バリア層
61a Ta膜
61b TaN膜
61c Ta膜
62a 銅膜
62b 銅膜
63 窒化シリコン膜
64 酸化シリコン膜
65 配線溝
66 バリア層
66a Ta膜
66b TaN膜
66c Ta膜
67a 銅膜
67b 銅膜
70 酸化シリコン膜
71 チタン膜
72 アルミニウム膜
73 窒化チタン膜
74 保護膜
75 バンプ下地電極
76 バンプ電極
236 バリア層
236b TaN膜
251 バリア層
251b TaN膜
M1 第1層配線
M2 第2層配線
M3 第3層配線
M4 第4層配線
M5 第5層配線
M6 第6層配線
P1 プラグ
P2 接続部
P3 接続部
P4 プラグ
P5 プラグ
Qn nチャネル型MISFET
Qp pチャネル型MISFET
Claims (5)
- (a)半導体基板上に形成された第1銅膜と、
(b)前記第1銅膜上に形成された絶縁膜と、
(c)前記絶縁膜中であって、前記第1銅膜上に形成された溝と、
(d)前記溝の側壁および底部に形成された導電性膜と、
(e)前記溝の内部であって、前記導電性膜上に形成された第2銅膜と、
を有する半導体集積回路装置であって、
(f)前記導電性膜は、
(f1)前記溝底部において、銅との密着性が高く、
(f2)前記溝の側壁において、銅の拡散を防止する膜、
であることを特徴とする半導体集積回路装置。 - (a)半導体基板上に形成された第1銅膜と、
(b)前記第1銅膜上に形成された絶縁膜と、
(c)前記絶縁膜中であって、前記第1銅膜上に形成された溝と、
(d)前記溝の側壁および底部に形成された導電性膜と、
(e)前記溝の内部であって、前記導電性膜上に形成された第2銅膜と、
を有する半導体集積回路装置であって、
(f)前記導電性膜は、
(f1)前記第1銅膜上に形成され、銅との密着性が高い第1膜と、
(f2)前記第1膜上に形成され、銅の拡散を防止する第2膜と、
(f3)前記第2膜上に形成され、銅との密着性が高い第3膜と、
からなることを特徴とする半導体集積回路装置。 - (a)前記第1膜および第3膜は、金属を含有し、
(b)前記第2膜は、前記金属の窒化物を含有し、
(c)前記金属は、Ta(タンタル)、Ti(チタン)、W(タングステン)、Nb(ニオブ)、Cr(クロム)、Hf(ハフニウム)、Mo(モリブデン)、Zr(ジルコニウム)、Re(レニウム)、Ru(ルテニウム)もしくはIr(イリジウム)であることを特徴とする請求項2記載の半導体集積回路装置。 - (a)半導体基板上に形成された第1銅膜と、
(b)前記第1銅膜上に形成された絶縁膜と、
(c)前記絶縁膜中であって、前記第1銅膜上に形成された溝と、
(d)前記溝の側壁および底部に形成された導電性膜と、
(e)前記溝の内部であって、前記導電性膜上に形成された第2銅膜と、
を有する半導体集積回路装置であって、
(f)前記導電性膜は、
(f1)前記溝の側壁上に形成され、前記溝の底部上に形成されない第1膜であって、銅の拡散を防止する第1膜と、
(f2)前記第1膜上および前記溝の底部上に形成され、銅との密着性が高い第2膜と、
からなることを特徴とする半導体集積回路装置。 - (a)前記第2膜は、金属を含有し、
(b)前記第1膜は、前記金属の窒化物を含有し、
(c)前記金属は、Ta(タンタル)、Ti(チタン)、W(タングステン)、Nb(ニオブ)、Cr(クロム)、Hf(ハフニウム)、Mo(モリブデン)、Zr(ジルコニウム)、Re(レニウム)、Ru(ルテニウム)もしくはIr(イリジウム)であることを特徴とする請求項4記載の半導体集積回路装置。
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- 2002-06-28 JP JP2002189526A patent/JP2004031866A/ja active Pending
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