JP2004063980A - Semiconductor device manufacturing method, and semiconductor device - Google Patents

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Kensuke Ishikawa
石川 憲輔
Takafumi Oshima
大島 隆文
Kenji Hinode
日野出 憲治
Tomio Iwasaki
岩崎 富生
Tatsuyuki Saito
齋藤 達之
Hide Yamaguchi
山口 日出
Akira Sato
佐藤 明
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the reliability of each embedded wiring including a main conductor film having Cu as its main component. <P>SOLUTION: There are provided a process for forming each wiring groove in an insulation film 25 on a semiconductor substrate, a process for forming a conductive barrier film 27 on the insulation film 25 inclusive of on the bottom surface and the side surfaces of each wiring groove, a process for forming a seed film on the conductive barrier film 27, a process for forming a main conductor film 29 having Cu as its main component on the seed film by a plating method, a process for so performing thereafter a first heat treatment at a temperature not lower than 400 °C as to grow the crystal grains of the main conductor film 29, a process for forming each wiring 40 by removing the unwanted conductive barrier film 27, seed film, and main conductor film 29 which are present on the insulation film 25, and by leaving the conductive barrier film 27, seed film, and main conductor film 29 in each wiring groove. A process for so performing a second heat treatment at a temperature range of 100-250 °C to make the stress included in each wiring 40 relax, by performing the second heat treatment at a lower temperature than the first heat treatment, and a process for forming an insulation film 41 on the insulation film 25 of the wirings 40 being embedded therein follow. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造技術および半導体装置に関し、特に、銅を主成分とする主導体膜を含む埋込配線を有する半導体装置の製造技術および半導体装置に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の素子間は、例えば多層配線構造により結線され回路が構成される。微細化に伴い配線構造として埋込配線構造が開発されている。埋込配線構造は、例えば絶縁膜に形成された配線溝や孔などのような配線開口部内に、ダマシン(Damascene)技術(シングルダマシン(Single−Damascene)技術およびデュアルダマシン(Dual−Damascene)技術)によって、配線材料を埋め込むことで形成される。
【0003】
例えば、絶縁膜の溝内を埋め込むようにめっき法によって金属膜を堆積し、その金属膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法などにより研磨することによって、絶縁膜の溝内に埋込配線が形成される。めっき法によって金属膜を堆積した後には、アニール処理が行われる。特開2001−160590号公報には、めっき法によって金属膜を堆積した直後に、80〜200℃の範囲内の温度でアニールする技術が記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者の検討によれば、銅を主成分とする金属膜を形成した後、アニール処理を施すと、アニール時の急激な温度変化のために配線溝と配線の間の接着強度が減少する恐れがあることが分かった。これは、埋込配線の信頼性の低下を招き、半導体装置の製造歩留まりの低減や製造コストの増大を引き起こす。
【0005】
本発明の目的は、銅を主成分とする主導体膜を含む配線の信頼性を向上させることができる半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することにある。
【0006】
本発明の前記ならびにその他の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。
【0007】
【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、次のとおりである。
【0008】
本発明の半導体装置の製造方法は、埋込配線形成用の銅を主成分とする主導体膜を形成した後、400℃以上の温度で第1熱処理を行い、100℃〜250℃の範囲内の温度で第2熱処理を行うものである。
【0009】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、埋込配線形成用の銅を主成分とする主導体膜を形成した後、第1の温度で第1熱処理を行い、第1導体膜の応力を緩和させるように第1の温度より低い第2の温度で第2熱処理を行うものである。
【0010】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、埋込配線形成用の銅を主成分とする主導体膜を形成した後、第1導体膜の結晶粒を成長させるように第1の温度で第1熱処理を行い、第1導体膜の応力を緩和させるように第1の温度より低い第2の温度で第2熱処理を行うものである。
【0011】
また、本発明の半導体装置は、下層配線の銅を主成分とする導体膜と下層配線の導電性バリア膜との間の密着力、下層配線の銅を主成分とする導体膜と下層配線上のバリア絶縁膜との間の密着力、および下層配線の銅を主成分とする導体膜と上層配線の導電性バリア膜との間の密着力のうち、下層配線の銅を主成分とする導体膜と上層配線の導電性バリア膜との間の密着力が最小ではないものである。
【0012】
【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、同一の機能を有する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。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【0013】
(実施の形態1)
まず、本発明者らによって検討された銅を主成分とする主導体膜を有する埋込配線(埋込銅配線)の劣化現象について説明する。図1は、従来技術によって形成された埋込銅配線の高温放置試験(例えば150℃で100時間放置)後の抵抗上昇率を示すグラフである。図1のグラフの横軸が高温放置試験後の埋込銅配線の電気抵抗の上昇率(高温放置試験前の電気抵抗を基準とした電気抵抗の増加率)に対応し、図1のグラフの縦軸が累積分布または累積確率(Cumulative Probability)に対応する。また、図2は、高温放置試験後に電気抵抗が上昇し、高抵抗となった埋込銅配線の断面をTEM(Transmission Electron Microscope)観察した結果を模式的に示す断面図である。
【0014】
図1から分かるように、高温放置することにより埋込銅配線の電気抵抗が上昇している。この際、図2に示されるように、配線(下層埋込銅配線)1の上面と、層間絶縁膜2に埋め込まれた上層配線(上層埋込銅配線)のビア部(ビア埋込部)3との間に、空隙またはボイド4が形成される。このため、下層配線と上層配線の間の接続面積が低減し、図1に示されるような電気抵抗の上昇が生じてしまう。また、ボイド4が形成により下層配線と上層配線との間で断線が生じる恐れもある。これは半導体装置の製造歩留まりを低減させ、製造コストを増大させる。
【0015】
本発明者の検討によれば、埋込銅配線の主導体膜(銅膜)を形成するめっき工程の後に熱処理(アニール処理)を行うと、熱処理の降温時の弾性変形(熱収縮)によって引張り応力(収縮方向)が埋込銅配線中に残存または残留する。図3は、応力が残留したまま埋込銅配線を形成した状態を説明するための断面図である。図3では、層間絶縁膜5に配線(埋込銅配線)6が形成され、配線6は上層配線(上層埋込銅配線)のビア部(ビア埋込部)7と接続している。層間絶縁膜5に配線6を形成すると、図3に模式的に示されるように、完成後の配線6中には、矢印で模式的に示されるような引張り応力(収縮方向)が残留したままになる。このような応力が残留した状態の配線6が形成された半導体基板または半導体装置を、銅の拡散係数が比較的高くなりかつ銅配線中に引張り応力が発生するような温度領域に放置(高温放置試験)すると、配線6中の応力が緩和し、図2に示されるように配線1(6)と上層配線のビア部3(7)の底部の間にボイドが発生するなどして、ストレスマイグレーションによる図1に示されるような配線抵抗の上昇が生じる。
【0016】
図4は、高温放置試験を行った温度と配線の抵抗上昇発生率の関係を示すグラフである。図4のグラフの横軸が、行われた高温放置試験の温度に対応し、図4のグラフの縦軸は、各温度で高温放置試験を行ったサンプルのうち、所定の上昇率以上に配線抵抗が上昇したサンプルの割合に対応する。高温放置試験の温度が100℃〜250℃の場合に抵抗上昇が生じていることがわかる。
【0017】
そこで、本発明者は、このような高温放置(試験)により銅配線の抵抗が上昇(増大)する現象を抑制することを検討した。
【0018】
本実施の形態の半導体装置の製造工程を図面を参照して説明する。図5は、本発明の一実施の形態である半導体装置、例えばMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)、の製造工程中の要部断面図である。
【0019】
図5に示すように、例えば1〜10Ωcm程度の比抵抗を有するp型の単結晶シリコンなどからなる半導体基板(半導体ウエハ)11の主面に素子分離領域12が形成される。素子分離領域12は酸化シリコンなどからなり、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法またはLOCOS(Local Oxidization of Silicon )法などにより形成される。
【0020】
次に、半導体基板11のnチャネル型MISFETを形成する領域にp型ウエル13を形成する。p型ウエル13は、例えばホウ素(B)などの不純物をイオン注入することなどによって形成される。
【0021】
次に、p型ウエル13の表面にゲート絶縁膜14が形成される。ゲート絶縁膜14は、例えば薄い酸化シリコン膜などからなり、例えば熱酸化法などによって形成することができる。
【0022】
次に、p型ウエル13のゲート絶縁膜14上にゲート電極15が形成される。例えば、半導体基板11上に多結晶シリコン膜を形成し、その多結晶シリコン膜にリン(P)などをイオン注入して低抵抗のn型半導体膜とし、その多結晶シリコン膜をドライエッチングによってパターニングすることにより、多結晶シリコン膜からなるゲート電極15を形成することができる。
【0023】
次に、p型ウエル13のゲート電極15の両側の領域にリンなどの不純物をイオン注入することにより、n型半導体領域16が形成される。
【0024】
次に、ゲート電極15の側壁上に、例えば酸化シリコンなどからなる側壁スペーサまたはサイドウォール17が形成される。サイドウォール17は、例えば、半導体基板11上に酸化シリコン膜を堆積し、この酸化シリコン膜を異方性エッチングすることによって形成することができる。
【0025】
サイドウォール17の形成後、n型半導体領域18(ソース、ドレイン)が、例えば、p型ウエル13のゲート電極15及びサイドウォール17の両側の領域にリンなどの不純物をイオン注入することにより形成される。n型半導体領域18は、n型半導体領域16よりも不純物濃度が高い。
【0026】
次に、ゲート電極15およびn型半導体領域18の表面を露出させ、例えばコバルト(Co)膜を堆積して熱処理することによって、ゲート電極15とn型半導体領域18との表面に、それぞれシリサイド膜15aおよびシリサイド膜18aを形成する。これにより、n型半導体領域18の拡散抵抗と、コンタクト抵抗とを低抵抗化することができる。その後、未反応のコバルト膜は除去する。
【0027】
このようにして、p型ウエル13にnチャネル型のMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)19が形成される。
【0028】
次に、半導体基板11上に窒化シリコンなどからなる絶縁膜20と、酸化シリコンなどからなる絶縁膜21を順次堆積する。それから、絶縁膜21および絶縁膜20を順次ドライエッチングすることにより、n型半導体領域(ソース、ドレイン)18の上部などにコンタクトホール22を形成する。コンタクトホール22の底部では、半導体基板11の主面の一部、例えばn型半導体領域18の一部、やゲート電極15の一部などが露出される。
【0029】
次に、コンタクトホール22内に、タングステン(W)などからなるプラグ23が形成される。プラグ23は、例えば、コンタクトホール22の内部を含む絶縁膜21上にバリア膜として例えば窒化チタン膜23aを形成した後、タングステン膜をCVD(Chemical Vapor Deposition)法などによって窒化チタン膜23a上にコンタクトホール22を埋めるように形成し、絶縁膜21上の不要なタングステン膜および窒化チタン膜23aをCMP(Chemical Mechanical Polishing)法またはエッチバック法などによって除去することにより形成することができる。
【0030】
図6〜図9は、図5に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図を示している。なお、理解を簡単にするために、図6〜図9では、図5の絶縁膜21より下の構造に対応する部分は図示を省略している。
【0031】
まず、図6に示されるように、プラグ23が埋め込まれた絶縁膜21上に絶縁膜(エッチングストッパ膜)24を形成する。絶縁膜24は、例えば窒化シリコン膜または炭化シリコン(SiC)膜からなる。絶縁膜24は、その上層の絶縁膜(層間絶縁膜)25に配線形成用の溝や孔をエッチングにより形成する際に、その掘り過ぎにより下層に損傷を与えたり、加工寸法精度が劣化したりすることを回避するために形成される。すなわち、絶縁膜24は絶縁膜(層間絶縁膜)25をエッチングする際にエッチングストッパとして機能する。それから、絶縁膜24上に、下層からフッ素(F)が添加された酸化シリコン膜およびフッ素(F)の添加されていない酸化シリコン膜を順次堆積することによって絶縁膜(層間絶縁膜)25を形成する。なお、絶縁膜25は、フッ素の添加されていない酸化シリコン膜のみから形成してもよい。また、フッ素を添加することにより、絶縁膜25の誘電率を下げることができるので、半導体装置の配線の総合的な誘電率を下げることが可能であり、配線遅延を改善できる。また、絶縁膜25は、有機系の低誘電率材料で形成してもよい。
【0032】
次に、図7に示されるように、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて、絶縁膜25および絶縁膜24をドライエッチングすることによって、配線開口部すなわち配線溝26を形成する。このとき、配線溝26の底部では、プラグ23の上面が露出される。
【0033】
次に、図8に示されるように、基板11の主面上の全面に、例えばタンタル(Ta)膜および窒化タンタル(TaN)膜の積層膜からなる、厚さ50nm程度の比較的薄い導電性バリア膜27を形成する。導電性バリア膜27の成膜には、スパッタリング法、例えば、DCマグネトロンスパッタリング装置を用いた長距離(ロングスロー)スパッタリングなどを用いることができる。導電性バリア膜27は、例えば後述の主導体膜形成用の銅の拡散を抑制または防止する機能や主導体膜のリフロー時に銅の濡れ性を向上させる機能などを有している。このような導電性バリア膜27の材料としては、タンタルや窒化タンタルに代えて、銅と殆ど反応しない窒化タングステン(WN)または窒化チタン(TiN)などのような高融点金属窒化物を用いることもできる。また、導電性バリア膜27の材料として、高融点金属窒化物にシリコン(Si)を添加した材料や、銅と反応し難いタンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)、チタンタングステン(TiW)合金などのような高融点金属を用いることもできる。また、導電性バリア膜27としては、上記材料膜の単体膜だけでなく積層膜を用いることもできる。
【0034】
次に、導電性バリア膜27が堆積された半導体基板11の全面に、銅(Cu)膜からなる比較的薄いシード膜28を、例えばスパッタリング法によって形成する。ここで、シード膜28は主導体膜29と導電性バリア膜27の密着性を向上させるために形成される。それから、図9に示されるように、シード膜28が堆積された半導体基板11の全面に、例えば厚さ800〜1600nm程度の相対的に厚い、銅を主成分とする主導体膜29を、配線溝26を埋めるように形成する。主導体膜29は、例えば電解めっきまたは無電解めっきのようなめっき法を用いて形成することができる。また、主導体膜29は、例えば銅または銅合金(Cuを主成分とし、例えばMg,Ag,Pd,Ti,Ta,Al,Nb,ZrまたはZnなどを含む)により形成することができる。
【0035】
主導体膜29の形成後、還元雰囲気(例えば水素雰囲気)、不活性ガス(例えばHeガスやArガス)雰囲気、窒素ガス雰囲気あるいはそれらの混合ガス雰囲気のような非酸化性雰囲気で半導体基板11(主導体膜29)に対して第1の熱処理(第1のアニール処理)を行う。これにより、主導体膜29の(銅の)結晶粒が成長する。第1の熱処理の熱処理温度は、400℃以上であることが好ましく、400℃〜450℃であればより好ましい。本実施の形態では、水素ガス(H)100%の減圧雰囲気中で、400℃の熱処理を約2分間行った。ここで、この第1の熱処理によって主導体膜29とシード膜28とは一体化されて、導電性バリア膜27と良好な密着性を有して形成されている。すなわち、導電性バリア膜27上に電解めっき法または無電解めっき法によって主導体膜29を直接形成した場合には、主導体膜29と導電性バリア膜27間の密着性は悪く剥離しやすくなるが、シード膜28を導電性バリア膜27上に形成した後、主導体膜29を形成して、第1の熱処理を施すことで、主導体膜29と導電性バリア膜27の密着性を向上させることが出来る。
【0036】
図10は、本実施の形態で用いられた熱処理装置(アニール装置)の概念的な構造を示す断面図である。図10の熱処理装置31は、処理室32と、処理室32内に図示しない支持手段によって支持され、その上に半導体基板(半導体ウエハ)11を載置するためのステージ(載置台)33と、図示しないガス導入手段に接続され、処理室32内に所望のガスを所望の流量で導入するためのガス導入口34と、図示しないガス排気手段に接続され、処理室32内を所望の排気速度で排気するためのガス排気口35とを備えている。ステージ33には、加熱用のヒータが内蔵され、ステージ33上に配置された半導体基板11を所望の温度で加熱することができる。本実施の形態では、例えば、ガス導入口34から水素ガスを導入し、ガス排気口35からの排気速度を調節して処理室32内を所定の減圧状態とし、ヒータで加熱して400℃とされたステージ33上に半導体基板11を配置することで、第1の熱処理を行うことができる。この場合、予め加熱されたステージ33上に半導体基板11を配置することができるが、半導体基板11をステージ33上に配置した後にヒータによる加熱を開始してもよい。
【0037】
なお、第1の熱処理は、後述する主導体膜29などのCMP工程の後に行うこともできる。また、シード膜28を形成することなく主導体膜29をスパッタリング法により形成し、その後主導体膜29を第1の熱処理によりリフローさせて、銅を配線溝26の内部に隙間なく埋込むこともできる。
【0038】
図11〜図19は、図9に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図を示している。なお、理解を簡単にするために、図11〜図19では、図6〜図9と同様、図5の絶縁膜21より下の構造に対応する部分は図示を省略している。また、前述の第1の熱処理により主導体膜29とシード膜28は一体化されているため、以降の説明を簡略化するために、シード膜28を省略し、主導体膜29として記述する。
【0039】
図11に示されるように、絶縁膜25上の不要な導電性バリア膜27および主導体膜29を除去し、配線溝26内に導電性バリア膜27および主導体膜29を残すことにより、配線(第1層配線)40を形成する。このとき、不要な導電性バリア膜27および主導体膜29の除去は、例えばCMP法を用いた研磨により行う。配線40は、プラグ23を介して、n型半導体領域(ソース、ドレイン)18やゲート電極15と電気的に接続されている。
【0040】
次に、還元雰囲気(例えば水素雰囲気)、不活性ガス(例えばHeガスやArガス)雰囲気、窒素ガス雰囲気あるいはそれらの混合ガス雰囲気のような非酸化性雰囲気で半導体基板11(主導体膜29または配線40)に対して第2の熱処理(第2のアニール処理)を行う。第2の熱処理は、上記第1の熱処理の熱処理温度より低い熱処理温度で行われる。これにより、配線40中に残留する応力を緩和または低減することができる。また、第2の熱処理の熱処理温度は、100℃〜250℃であればより好ましい。本実施の形態では、水素ガス(H)と窒素ガスとの混合ガス(水素ガス1%)の常圧雰囲気中で、150℃の熱処理を約90分間行った。また、この第2の熱処理により、CMPで酸化された配線40(主導体膜29)の表面の酸化銅(CuO、CuO)を銅(Cu)に還元することもできる。なお、第2の熱処理には、第1の熱処理で用いられた熱処理装置31を用いることができる。
【0041】
本実施の形態においては、第2の熱処理は主導体膜29などのCMP工程の後に行ったが、第2の熱処理を主導体膜29などのCMP工程の前に行うこともできる。この場合、CMP工程の後に、配線40の上面の還元処理を別途行ってもよい。なお、第2の熱処理は、第1の熱処理よりも後でかつ配線40の上面を材料膜(後述する絶縁膜41など)で覆う前に、第1の熱処理よりも低温で行われることに注意すべきである。
【0042】
次に、図12に示されるように、配線40が埋め込まれた絶縁膜25上に、絶縁膜(バリア絶縁膜)41を形成する。それから、図13に示されるように、絶縁膜上に絶縁膜(層間絶縁膜)42、絶縁膜(エッチングストッパ膜)43および絶縁膜(層間絶縁膜)44を形成する。絶縁膜41は、例えば炭窒化シリコン(SiCN)膜からなり、銅配線のバリア絶縁膜として機能する。従って、絶縁膜41は、配線40の主導体膜29中の銅が、絶縁膜42中に拡散するのを抑制または防止する。絶縁膜42は、絶縁膜25と同様の材料により形成することができる。絶縁膜43および絶縁膜44は、絶縁膜24および絶縁膜25と同様の材料により形成することができる。
【0043】
次に、図14に示されるように、フォトリソグラフィ法などを用いて絶縁膜41〜44をドライエッチングすることなどによって、配線開口部すなわち、配線40に達するスルーホールまたはビア(via)45および配線溝46を形成する。このとき、ビア45の底部では、配線40の上面が露出される。
【0044】
次に、ビア45の底部で露出する配線40(下層銅配線)の表面に形成された酸化銅を除去して配線40の露出した上面を清浄化(クリーニング)する処理を行う。これは、例えばアルゴン(Ar)プラズマを用いたエッチング処理などにより行うことができる。
【0045】
次に、図15に示されるように、半導体基板11の主面上の全面に、例えばタンタル(Ta)膜および窒化タンタル(TaN)膜の積層膜からなる、厚さ50nm程度の比較的薄い導電性バリア膜47を、スパッタリング法などを用いて形成する。導電性バリア膜47は、導電性バリア膜27と同様の機能、例えば銅の拡散を抑制または防止する機能を有し、導電性バリア膜27と同様の材料により形成することができる。
【0046】
次に、導電性バリア膜47が堆積された半導体基板11の全面に、銅(Cu)膜からなる比較的薄いシード膜48を形成する。それから、図16に示されるように、シード膜48が堆積された半導体基板11の全面に、例えば厚さ800〜1600nm程度の相対的に厚い、銅を主成分とする主導体膜49を、ビア45および配線溝46を埋めるように形成する。主導体膜49は、例えば電解めっきまたは無電解めっきのようなめっき法を用いて形成することができ、主導体膜29と同様に、例えば銅または銅合金により形成することができる。
【0047】
主導体膜49の形成後、還元雰囲気(例えば水素雰囲気)、不活性ガス(例えばHeガスやArガス)雰囲気、窒素ガス雰囲気あるいはそれらの混合ガス雰囲気のような非酸化性雰囲気で半導体基板11(主導体膜49)に対して第1の熱処理(第1のアニール処理)を行う。これにより、主導体膜49の(銅の)結晶粒が成長する。第1の熱処理の熱処理温度は、400℃以上であることが好ましく、400℃〜450℃であればより好ましい。本実施の形態では、水素ガス(H)100%の減圧雰囲気中で、400℃の熱処理を約2分間行った。ここで、この第1の熱処理によって主導体膜29とシード膜28とは一体化されて、導電性バリア膜27と良好な密着性を有して形成されている。主導体膜49のための第1の熱処理は、上記主導体膜29のための第1の熱処理と同様に、熱処理装置31を用いて行うことができる。なお、第1の熱処理は、後述する主導体膜49などのCMP工程の後に行うこともできる。また、シード膜48を形成することなく主導体膜49をスパッタリング法により形成し、その後主導体膜49を第1の熱処理によりリフローさせて、銅を、ビア45および配線溝46の内部に隙間なく埋込むこともできる。
【0048】
次に、図17に示されるように、絶縁膜44上の不要な導電性バリア膜47および主導体膜49を除去し、ビア45および配線溝46内に導電性バリア膜47および主導体膜49を残すことにより、配線(第2層配線)50を形成する。このとき、不要な導電性バリア膜47および主導体膜49の除去は、例えばCMP法を用いた研磨により行う。配線50は、ビア45に埋め込まれた導電性バリア膜47および主導体膜49(すなわち配線50のビア部)を介して配線40と電気的に接続されている。ここでシード膜48は、前述の第1の熱処理により主導体膜49と一体化されているので、説明を簡略化するために、シード膜48を省略し、主導体膜49として記述している。
【0049】
次に、還元雰囲気(例えば水素雰囲気)、不活性ガス(例えばHeガスやArガス)雰囲気、窒素ガス雰囲気あるいはそれらの混合ガス雰囲気のような非酸化性雰囲気で半導体基板11(主導体膜49または配線50)に対して第2の熱処理(第2のアニール処理)を行う。第2の熱処理は、上記第1の熱処理の熱処理温度より低い熱処理温度で行われる。これにより、配線50中に残留する応力を緩和または低減することができる。また、第2の熱処理の熱処理温度は、100℃〜250℃であればより好ましい。本実施の形態では、水素ガス(H)と窒素ガスとの混合ガス(水素ガス1%)の常圧雰囲気中で、150℃の熱処理を約90分間行った。また、この第2の熱処理により、CMPで酸化された配線50(主導体膜49)の表面の酸化銅(CuO、CuO)を銅(Cu)に還元することもできる。配線50のための第2の熱処理は、上記配線40のための第2の熱処理と同様に、熱処理装置31を用いて行うことができる。
【0050】
本実施の形態においては、第2の熱処理は主導体膜49などのCMP工程の後に行ったが、第2の熱処理を主導体膜49などのCMP工程の前に行うこともできる。この場合、CMP工程の後に、配線50の上面の還元処理を別途行ってもよい。なお、第2の熱処理は、第1の熱処理よりも後でかつ配線50の上面を材料膜(後述する絶縁膜51など)で覆う前に、第1の熱処理よりも低温で行われることに注意すべきである。
【0051】
次に、図18に示されるように、配線50が埋め込まれた絶縁膜44上に絶縁膜41と同様の材料からなり、同様の機能を有する絶縁膜(バリア絶縁膜)51を形成する。それから、図19に示されるように、上記絶縁膜膜42〜44を形成した工程と同様の工程および材料によって、絶縁膜(層間絶縁膜)52、絶縁膜(エッチングストッパ膜)53および絶縁膜(層間絶縁膜)54を形成する。それから、ビア45および配線溝46と同様にして、配線50に達するビアおよび配線溝を形成し、そのビアおよび配線溝を埋めかつ配線50と電気的に接続された配線(第3層配線)55を、配線50の形成工程と同様の工程によって形成する。それから、配線55が埋め込まれた絶縁膜54上に、絶縁膜51と同様の材料からなる絶縁膜(バリア絶縁膜)56を形成する。
【0052】
更に必要に応じて、同様の製造工程を繰り返し、第4層配線以降の上層配線を形成することもできるがここでは図示およびその説明は省略する。また、上層配線としてチタン膜、アルミニウム(Al)合金膜および窒化チタン膜などの積層膜からなるアルミニウム配線を形成し、このアルミニウム配線をボンディングパッドとして用いることもできる。また、配線(第1層配線)40を、タングステンやアルミニウム合金などからなる配線とし、配線(第2層配線)50を上記配線40と同様にして形成した銅配線(シングルダマシン配線)とし、配線(第3層配線)55を上記配線50と同様にして形成した銅配線(デュアルダマシン配線)とすることもできる。
【0053】
図20は、本実施の形態に従って形成された埋込銅配線の高温放置試験後の抵抗上昇率を示すグラフである。図20のグラフの横軸が高温放置試験後の配線の電気抵抗の上昇率(高温放置前の電気抵抗を基準とした電気抵抗の上昇率)に対応し、図20のグラフの縦軸が累積分布または累積確率(Cumulative Probability)に対応する。行った高温放置試験は、150℃で100時間の放置試験であり、放置試験前と放置試験後との配線の電気抵抗を比較して、抵抗の上昇(増加)率を算出した。図20のグラフには、本実施の形態のように第1の熱処理(アニール)を400℃で2分間行いかつ第2の熱処理(アニール)を150℃で90分間行った場合(グラフ中では黒丸で示してある)だけでなく、第1の熱処理および第2の熱処理をいずれも300℃(熱処理時間は2分間)で行った比較例の場合(グラフ中では白丸で示してある)についてもグラフ化してある。
【0054】
図20のグラフから分かるように、本実施の形態のような条件で熱処理を行うことにより、高温放置(試験)後の配線の抵抗上昇が抑制される。
【0055】
上記のように、本実施の形態では、各埋込銅配線(配線40、50および55)形成用の主導体膜(主導体膜29および49)を形成した後に、それぞれ第1の熱処理を行う。主導体膜の結晶粒は、形成した直後は比較的小さいが、第1の熱処理により結晶粒が成長する。このため、第1の熱処理後の主導体膜(銅膜)の結晶粒の粒径(グレインサイズ)は、第1の熱処理の温度が高いほど、大きくなる。埋込銅配線の応力は主導体膜の粒界を介して生じるので、粒径を大きくして粒界を減らすことにより、配線中の応力緩和を抑制できる。このため、第1の熱処理を比較的高い温度で行って、主導体膜の結晶粒径を比較的大きくすることにより、埋込銅配線のストレスマイグレーションによる不良を防止できる。従って、第1の熱処理の熱処理温度は、400℃以上であることが好ましく、400℃〜450℃であればより好ましい。但し、第1の熱処理の熱処理温度があまり高すぎると、層間絶縁膜などに悪影響を及ぼす恐れがある。また、第1の熱処理は、還元雰囲気(例えば水素雰囲気)、不活性ガス(例えばHeガスやArガス)雰囲気、窒素ガス雰囲気あるいはそれらの混合ガス雰囲気のような非酸化性雰囲気、すなわち還元性雰囲気または不活性雰囲気、の常圧(大気圧)または減圧下で行うことが好ましい。
【0056】
また、第1の熱処理の後の降温時に主導体膜は熱収縮して主導体膜中に引張り応力(収縮方向)が発生する。この引張り応力が残存または残留したままの状態で配線の上面を覆う材料膜(絶縁膜41および42や絶縁膜51および52)を形成した場合、応力が残留した状態で配線が固定される。この配線の残留応力は後で緩和すると、その熱収縮成分がボイド(void)となって埋込銅配線のビア部の底部にオープン不良を発生させるなどして配線抵抗を上昇させる。本実施の形態では、第1の熱処理の後でかつ配線の上面を覆う材料膜(バリア絶縁膜41および51)の形成前に、それぞれ第2の熱処理を行うことにより、配線(主導体膜)中に残存する応力を緩和または低減することができる。その後、配線上にバリア絶縁膜や層間絶縁膜などを形成することにより、残存または残留応力が少ない状態で配線が固定される。このため、後で埋込銅配線のビア部の底部にボイドが発生してオープン不良が生じることはない。これにより、図20のグラフに示されるように、高温放置後の配線の抵抗上昇を抑制することが可能となる。従って、配線の信頼性をより向上し、半導体装置の信頼性をより改善できる。また、半導体装置の製造歩留まりを向上でき、製造コストを低減できる。
【0057】
第2の熱処理は、第1の熱処理温度より低い温度で行われるが、銅の拡散係数がある程度高くなり、かつ配線中に引張り応力が発生する温度領域で行われれば、第2の熱処理中に配線中の残留応力が緩和しやすいのでより好ましい。従って、第2の熱処理の熱処理温度は、100℃〜250℃であればより好ましい。この温度領域は、図4のグラフに示されるように、埋込銅配線を形成した半導体基板または半導体装置を高温放置したときに抵抗上昇が発生しやすい温度領域に対応する。
【0058】
図4の場合は、高温放置試験中に配線中の応力が緩和したことによって配線間にボイドが生成されて、配線の抵抗が上昇した。しかしながら、本実施の形態では、配線の上面を覆う前に応力をそのような温度領域(応力が緩和しやすい温度領域すなわち100℃〜250℃)で熱処理(第2の熱処理)することにより配線中の応力を緩和させ、応力が緩和または低減した状態で配線の上面を覆い、配線を固定させる。このため、完成品の状態では、高温放置試験を行っても配線中で応力がほとんど緩和せず、配線間にボイドが生成されることもない。これにより、埋込銅配線のストレスマイグレーションによる不良を防止でき、すなわちストレスマイグレーション特性を改善できる。高温放置試験による抵抗上昇も抑制される。
【0059】
また、第2の熱処理は、還元雰囲気(例えば水素雰囲気)、不活性ガス(例えばHeガスやArガス)雰囲気、窒素ガス雰囲気あるいはそれらの混合ガス雰囲気のような非酸化性雰囲気、すなわち還元性雰囲気または不活性雰囲気、の常圧(大気圧)または減圧下で行うことが好ましい。第2の熱処理の熱処理温度が100℃以上であれば、配線中に残存する応力を緩和しながら、配線の表面の還元処理も行えるので、半導体装置の製造工程数を低減できる。なお、第2の熱処理の熱処理温度が低く、配線表面の還元が不十分である場合は、表面処理(例えば酸による酸化銅の除去)を第2の熱処理とは別に行って配線の表面を清浄化すればよい。この際も、第1の熱処理での熱処理温度以上の温度となるような処理は行わないことに注意すべきである。従って、本実施の形態では、配線が埋め込まれた絶縁膜上に材料膜(例えばバリア絶縁膜)を形成して、配線の上面を覆った状態とするまでは、第1の熱処理での熱処理温度以上の温度となるような処理は行わない。
【0060】
また、本実施の形態では、第1の熱処理と第2の熱処理は別工程で行っているが、第1の熱処理と第2の熱処理とを同一工程で連続的に行うこともできる。この場合、例えば、半導体基板11を水素ガスと窒素ガスとの混合ガス雰囲気中で400℃に約2分間保持して熱処理し(第1の熱処理)、それから半導体基板11の温度を150℃に低下させ、150℃で約90分間保持し(第2の熱処理)、その後半導体基板11の温度を室温まで低下させる。このように、第1の熱処理と第2の熱処理とを同一工程で連続して行うことで、間に他の工程を含まずに、主導体膜の残留応力を緩和し、導電性バリア膜との良好な密着性を得られるため、半導体装置の信頼性をより高くすることが出来る。
【0061】
また、本発明者らの検討によれば、ビア45の径(直径)が例えば0.3μm以下で、配線溝26または46の幅が例えば1μm以上であるような配線構造においは、高温放置による抵抗上昇が生じやすい。そのような寸法の配線構造においても、本実施の形態の製造方法のような熱処理(第1の熱処理および第2の熱処理)を行うことで、高温放置による配線の電気抵抗の上昇を抑制することができる。
【0062】
(実施の形態2)
上記実施の形態1では、埋込銅配線の導電性バリア膜、例えば導電性バリア膜27および47は、DCマグネトロンスパッタリング法などを用いて形成している。本実施の形態では、埋込銅配線の導電性バリア膜(上記導電性バリア膜27および47)は、イオン化メタルを用いたバイアススパッタリング法を用いて形成する。バイアススパッタリング法とは、半導体基板(半導体ウエハ)11に高周波電源などによりバイアス電圧を印加しながらスパッタリングによって半導体基板11上に成膜する方法である。本実施の形態では、半導体基板11に印加したバイアス電力は、導電性バリア膜27および47のタンタル膜の成膜工程では例えば1W/cm(半導体基板の単位面積当たりの印加電力)以上であり、導電性バリア膜膜27および47の窒化タンタル膜の成膜工程では例えば0.9W/cm(半導体基板の単位面積当たりの印加電力)以上であり、放電圧力はそれぞれ0.1Pa以下であった。また、成膜ガスは、導電性バリア膜膜27および47のタンタル膜の成膜工程ではアルゴンガス、導電性バリア膜膜27および47の窒化タンタル膜の成膜工程ではアルゴンと窒素の混合ガスであった。導電性バリア膜膜27および47の材料は、タンタル膜と窒化タンタル膜の積層膜以外にも、上記実施の形態1で例示した材料を用いることができる。他の製造工程および構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここでは詳しい説明を省略する。
【0063】
図21は、ビア45の内壁(底面および側壁)上にバイアススパッタリング法を用いて導電性バリア膜47を成膜した状態をTEMで観察した結果を模式的に示す要部断面図である。図22は、ビア35の内壁上にDCマグネトロンスパッタリング法、ここでは長距離(ロングスロー)スパッタリング法を用いて導電性バリア膜47を成膜した状態をTEMで観察した結果を模式的に示す要部断面図である。
【0064】
図22から分かるように、形成された膜のカバレッジが比較的よい長距離スパッタリング法を用いても、ビア45の底部では導電性バリア膜47は非対称に成膜され、ビア45の底の角部近傍では導電性バリア膜47が形成されない領域が生じることがある。また、ビア45の側壁上にも導電性バリア膜47が形成されにくい。しかしながら、図21から分かるように、本実施の形態のようにバイアススパッタリング法を用いて導電性バリア膜47を形成することにより、ビア45の底部および側壁上に確実に導電性バリア膜47を形成することができる。ビア45の底部でも導電性バリア膜47が対称または均一に成膜される。ビア45の底の角部近傍にも導電性バリア膜47が形成され、導電性バリア膜47が形成されずに下地材料膜が露出される領域は生じない。このため、バイアススパッタリング法を用いることにより、導電性バリア膜47のカバレッジを向上または改善することができる。
【0065】
また、ビア45を形成するために絶縁膜42および絶縁膜41をドライエッチングした際に、エッチング条件の選択などにより、絶縁膜41がサイドエッチされてビア45の側壁がアンダーカットされた状態となることがある。図23は、絶縁膜41がサイドエッチされてビア45の側壁がアンダーカットされた状態を示す要部断面図である。図23に示されるように、絶縁膜41がサイドエッチされると、絶縁膜42の開口部の径よりも絶縁膜41の開口部の径の方が大きくなり、ビア45の底端部で、絶縁膜42の側壁よりも絶縁膜41の側壁が半導体基板11の主面に水平な方向に後退した後退領域41aが生じる。導電性バリア膜47を形成する際に、このような後退領域41aに導電性バリア膜47が埋込まれないと、ボイドが形成され、配線50の信頼性に悪影響を与える恐れがある。
【0066】
図24は、図23のようなアンダーカット構造のビアに対してバイアススパッタリング法を用いて導電性バリア膜47を形成した状態を示す要部断面図である。本実施の形態のように、バイアススパッタリング法を用いて導電性バリア膜47を形成することで、図24に示されるように、たとえビア45の底端部で後退領域41aが生じていても、その後退領域41aを導電性バリア膜47で埋めることができ、ボイドは生じない。これにより、配線50の信頼性をより向上することができる。
【0067】
図25は、導電性バリア膜の剥離強度試験を行った結果を示すグラフである。図25のグラフでは、導電性バリア膜の成膜方法として、DCマグネトロンスパッタリング、ここでは長距離スパッタリング、を用いた場合と、本実施形態のようにバイアススパッタリングを用いた場合について、形成された導電性バリア膜の剥離強度(任意単位:arbitrary unit)の測定結果を示してある。剥離強度試験は、試験用の半導体基板(ウエハ)上に上記2種類の成膜方法で導電性バリア膜、ここではタンタル膜と窒化タンタル膜との積層膜を形成し、形成された導電性バリア膜の剥離強度を測定した。図25に示されるように、バイアススパッタリング法を用いることで、導電性バリア膜の剥離強度を大きくすることができる。これにより、導電性バリア膜と下地材料膜(配線40、絶縁膜41〜44)との接着力または密着力を向上することができる。
【0068】
図26は、本実施の形態のように導電性バリア膜をバイアススパッタリング法を用いて形成した場合の埋込銅配線の高温放置試験後の抵抗上昇率を示すグラフである。図26のグラフの横軸が高温放置試験後の配線の電気抵抗の上昇率(高温放置前の電気抵抗を基準とした電気抵抗の上昇率)に対応し、図26のグラフの縦軸が累積分布または累積確率(Cumulative Probability)に対応する。行った高温放置試験は、150℃で100時間の放置試験であり、放置試験前と放置試験後との配線の電気抵抗を比較して、抵抗の上昇(増加)率を算出した。図26のグラフには、本実施の形態のように配線の導電性バリア膜をバイアススパッタリング法を用いて形成した場合(グラフ中では黒丸で示してある)だけでなく、配線の導電性バリア膜をDCマグネトロンスパッタリング法を用いて(半導体基板にバイアス電圧を印加せずに)形成した場合(グラフ中では白丸で示してある)についてもグラフ化してある。なお、両者共に、第1の熱処理を400℃で行いかつ第2の熱処理を150℃で行っている。
【0069】
図26のグラフから分かるように、本実施の形態のようにバイアススパッタリング法を用いて埋込銅配線の導電性バリア膜を形成することにより、高温放置試験後の配線の抵抗上昇をより抑制することができる。従って、本実施の形態では、上記実施の形態1と同様の効果が得られた上に更に、バイアススパッタリング法を用いて埋込銅配線の導電性バリア膜を形成することにより、上記実施の形態1に比べて埋込銅配線のストレスマイグレーションによる不良を更に的確に防止できるようになる。また、配線の信頼性をより向上し、半導体装置の信頼性をより改善できる。また、半導体装置の製造歩留まりを向上でき、製造コストを低減できる。
【0070】
また、本実施の形態では、埋込銅配線の導電性バリア膜をバイアススパッタリング法を用いて形成しているが、埋込銅配線の主導体膜(上記主導体膜29および49)を形成するためのシード膜(上記シード膜28および48)をバイアススパッタリング法を用いて形成することもできる。これにより、シード膜28および48を導電性バリア膜上に的確に形成でき、埋込銅配線の主導体膜をより的確に形成できる。
【0071】
なお、本実施の形態では、埋込銅配線の導電性バリア膜をバイアススパッタリング法を用いて形成しているが、導電性バリア膜を、バイアススパッタリング法によって形成された導電性バリア膜と、CVD法によって形成された導電性バリア膜とを積層した積層膜で構成してもよい。
【0072】
バイアススパッタリング法によって形成された導電性バリア膜は、例えばTa(タンタル)等の高融点金属またはTaN(窒化タンタル)等の高融点金属窒化物で構成され、CVD法によって形成された導電性バリア膜は、高融点金属窒化物にシリコン(Si)を添加した材料、例えばTiSiN(チタンシリコンナイトライド)膜で構成される。CVD法によって形成された導電性バリア膜は被覆性がバイアススパッタリング法より高いので、積層膜にすることにより、バリア性を損なわずに導電性バリア膜全体の膜厚を低減することができ、微細な接続孔に導電性バリア膜を形成することができる。また、導電性バリア膜全体の抵抗を低減することができるため、配線抵抗による遅延を向上できる。
【0073】
このようなバイアススパッタリング法によって形成された導電性バリア膜の材料としては、タンタルや窒化タンタルに代えて、銅と殆ど反応しない窒化タングステン(WN)または窒化チタン(TiN)などのような高融点金属窒化物を用いることもできる。また、CVD法によって形成された導電性バリア膜の材料として、TiSiN膜に代えて、他の高融点金属窒化物にシリコン(Si)を添加した材料や、銅と反応し難いタンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)、チタンタングステン(TiW)合金などのような高融点金属又は高融点金属窒化物を用いることもできる。
【0074】
(実施の形態3)
上記実施の形態1では、ビア45および配線溝46を形成した後、導電性バリア膜47を形成する前に、ビア45の底部で露出する配線40(下層銅配線)の表面に形成された酸化銅を除去するためにArプラズマを用いたエッチング処理を行い、清浄化(クリーニング)された配線40上に導電性バリア膜47を形成し、配線50(上層銅配線)を形成している。
【0075】
本実施の形態では、ビア45の底部で露出した配線40の表面に形成された酸化銅を清浄化するために、水素(H)プラズマ処理のような還元性プラズマ処理による還元処理を行う。例えば、半導体基板11をプラズマCVD装置の処理室内に配置し、水素ガス(H)を導入してプラズマ電源を印加することなどにより、半導体基板11(特にビア45の底部での配線40の露出面)に対して、水素プラズマ処理を施す。このような還元性プラズマ処理により、ビア45の底部の配線40表面において、酸化された銅配線表面の酸化銅(CuO、CuO)が銅(Cu)に還元される。また、水素プラズマ処理の代わりに水素(含有雰囲気中)アニールのような還元性雰囲気中のアニール処理により、ビア45の底部の配線40表面を還元処理することもできる。従って、本実施の形態では、配線40の露出表面に対して、水素を含む雰囲気で酸素に対する還元処理が行われる。
【0076】
本実施の形態では、水素(H)プラズマ処理などによりビア45の底部で露出した配線40の表面に形成された酸化銅を還元するので、配線40がエッチングされない。他の製造工程および構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここでは詳しい説明を省略する。
【0077】
本実施の形態における要部詳細を図27〜図30を用いて説明する。なお、図28では、シード膜48は、実施の形態1と同様に、主導体膜49に含めるものとし、図示を省略している。
【0078】
図27は、ビア45から露出する配線40の表面を清浄化するために、配線40をエッチングした(掘り込んだ)状態を示す要部断面図である。図28は、図27の構造のビアに対して、バリア絶縁膜47と主導体膜49を埋め込んだ状態を示す要部断面図である。
【0079】
図27および図28に示されるように、ビア45から露出する配線40の表面を清浄化するために配線40をアルゴンプラズマなどによってエッチングすると、配線40の上面はエッチング深さWだけエッチングされてくぼみ、段差が生じる。しかしながら、本実施の形態のように水素プラズマ処理のような還元性プラズマ処理による還元処理を行った場合は、配線40はほとんどエッチングされずに、エッチング深さWを実質的にゼロにすることができる。
【0080】
図29は、ビア45底部で配線40をエッチングした(掘り込んだ)深さ(量)Wと、形成された配線40中に生じる応力差(配線40中の応力の最大値と最小値の差)との関係をシミュレーション計算により求めた結果を示すグラフである。図29には、本実施の形態のように配線40がエッチングされなかった場合(エッチング深さW=0nmの場合)と、アルゴンプラズマなどによるエッチングによって50nmエッチングした場合(エッチング深さW=50nmの場合)とが記載してある。
【0081】
図29から分かるように、ビア45から露出した配線40をエッチングすると、配線40中の応力差が増大する。配線40中の応力差が大きなり、応力勾配が大きくなると、配線40中の銅の移動が促進されて、ストレスマイグレーションによる不良が生じやすくなる。これは、埋込銅配線の信頼性を低減する恐れがある。本実施の形態のように、水素プラズマ処理などによりビア45底部で露出した配線40を還元処理することで、配線40のエッチングした(掘り込んだ)深さ(量)を実質的にゼロにすることができ、配線40中の応力差を低減することができる。これにより、ストレスマイグレーションによる不良の発生をより的確に防止でき、埋込銅配線の信頼性をより向上することができる。
【0082】
図30は、本実施の形態のようにビアおよび配線溝形成後に水素プラズマ処理を行って下層銅配線の還元処理を行った場合の埋込銅配線の高温放置試験後の抵抗上昇率を示すグラフである。図30のグラフの横軸が高温放置試験後の配線の電気抵抗の上昇率(高温放置前の電気抵抗を基準とした電気抵抗の上昇率)に対応し、図30のグラフの縦軸が累積分布または累積確率(Cumulative Probability)に対応する。行った高温放置試験は、150℃で100時間の放置試験であり、放置試験前と放置試験後との配線の電気抵抗を比較して、抵抗の上昇(増加)率を算出した。図30のグラフには、本実施の形態のようにビア底部で露出した下層銅配線を水素プラズマにより還元処理した後に、導電性バリア膜の成膜を行い、上層銅配線を形成した場合(グラフ中では黒丸で示してある)だけでなく、ビア底部で露出した下層銅配線をアルゴン(Ar)プラズマを用いてエッチングした後に導電性バリア膜の成膜を行い、上層銅配線を形成した場合(グラフ中では白丸で示してある)についてもグラフ化してある。アルゴンプラズマによる下層銅配線のエッチング量(深さ)は、酸化シリコン膜換算で約3nm(CuO換算だと数十nmに対応)である。なお、両者共に、第1の熱処理を400℃で行いかつ第2の熱処理を150℃で行っている。
【0083】
図30のグラフから分かるように、本実施の形態のような条件において、ビア底部で露出した下層銅配線の清浄化処理を行うことにより、高温放置試験後の配線の抵抗上昇をより抑制することができる。従って、本実施の形態では、上記実施の形態1と同様の効果が得られた上に更に、ビア底部で露出した配線の表面に水素プラズマ処理のような還元性プラズマ処理または水素アニールによる還元処理を行うことで、上記実施の形態1に比べて埋込銅配線のストレスマイグレーションによる不良を更に的確に防止できるようになる。また、配線の信頼性をより向上し、半導体装置の信頼性をより改善できる。また、半導体装置の製造歩留まりを向上でき、製造コストを低減できる。
【0084】
(実施の形態4)
図31は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図であり、図18の工程段階に対応する。図31では、シード膜28および48は、実施の形態1と同様に、主導体膜29および49に含めるものとし、図示を省略している。
【0085】
上記実施の形態1では、配線40および配線50の上面は、バリア絶縁膜としての絶縁膜41および絶縁膜51によって覆われている。本実施の形態では、バリア絶縁膜(絶縁膜41および絶縁膜51)の代わりに、配線40および配線50の上面に銅の拡散を抑制または防止する導電性バリア膜としての金属キャップ膜61および62を形成する。
【0086】
金属キャップ膜膜61および62は、たとえば選択タングステンCVD法などによって形成することができる。例えば、図11に示されるように配線溝26に埋め込まれた配線40を形成した後、六フッ化タングステン(WF)および水素(H)ガスを用いたCVD法により、絶縁膜25から露出した配線40の上面上にタングステン膜を選択的に堆積することにより、金属キャップ膜61を形成する。その後、絶縁膜(バリア絶縁膜)41を形成することなく、絶縁膜42を形成する。金属キャップ膜62も金属キャップ膜61と同様にして形成することができる。金属キャップ膜61および62の他の材料としては、バリア膜として機能する他の高融点金属または高融点金属窒化物、例えば窒化チタン(TiN)または窒化タンタル(TaN)などを用いることができる。他の製造工程および構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここでは詳しい説明を省略する。
【0087】
本実施の形態では、配線40の銅を主成分とする部分(主導体膜29)の周囲(上面、側面および底面)は、導電性バリア膜としての金属膜または金属窒化物膜(導電性バリア膜27および金属キャップ膜61)により囲まれている。同様に、配線50の銅を主成分とする部分(主導体膜49)の周囲(上面、側面および底面)は、導電性バリア膜としての金属膜または金属窒化物膜(導電性バリア膜47および金属キャップ膜62)により囲まれている。本実施の形態では、上記実施の形態1と同様の効果が得られた上に更に、銅配線の銅を主成分とする部分の周囲を全て金属膜または金属窒化物膜で囲むことで、主導体膜29および主導体膜49の上面が絶縁膜(バリア絶縁膜)と接触している場合(上記実施の形態1)に比較して、配線40および配線50のストレスマイグレーションによる不良を更に的確に防止できる(ストレスマイグレーション特性をより向上できる)ようになる。このため、配線の信頼性をより向上し、半導体装置の信頼性をより改善できる。また、半導体装置の製造歩留まりを向上でき、製造コストを低減できる。
【0088】
(実施の形態5)
図32および図33は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図であり、図16に続く工程段階に対応する。なお、図33では、シード膜28および48は、実施の形態1と同様に、主導体膜29および49に含めるものとし、図示を省略している。
【0089】
上記実施の形態1では、主導体膜49を形成した後、第1の熱処理を行い、その後CMP法により、不要な導電性バリア膜47および主導体膜49を除去している。本実施の形態では、図32に示されるように、主導体膜49を形成した後、主導体膜49上にタンタル(Ta)、タングステン(W)、チタン(Ti)またはルテニウム(Ru)などからなる金属膜71を形成する。金属膜71として、窒化タングステン、窒化チタンまたは窒化タンタルのような金属窒化物膜を用いることもできる。それから、上記第1の実施の形態と同様の第1の熱処理を行う。そして、図33に示されるように、CMP法などを用いて、金属膜71と不要な導電性バリア膜47および主導体膜49とを除去し、ビア45および配線溝46内に導電性バリア膜47および主導体膜49を残すことにより、配線50を形成する。CMP工程においては、金属膜71は完全に除去される。それから、上記第1の実施の形態と同様の第2の熱処理を行う。なお、配線40も、同様にして形成することができる。
【0090】
本実施の形態では、上記実施の形態1と同様の効果が得られた上に更に、主導体膜49上を金属膜71で覆った状態で第1の熱処理を行うことで、主導体膜49の結晶粒内の結晶性を上記実施の形態1と比べてより改善できるという効果が得られる。このため、配線50のストレスマイグレーションによる不良をより的確に防止できる。また、配線の信頼性をより向上し、半導体装置の信頼性をより改善できる。また、半導体装置の製造歩留まりを向上でき、製造コストを低減できる。
【0091】
(実施の形態6)
図34は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の要部断面図であり、図17の一部に対応する。なお、図34では、シード膜28および48は、実施の形態1と同様に、主導体膜29および49に含めるものとし、図示を省略している。
【0092】
本実施の形態では、銅配線の界面の剥離強度または密着力(接着力)を調整することによって、銅配線の断線の発生を抑制または防止する。
【0093】
配線40に着目すると、配線40の銅部分または主導体膜29(シード膜28を含む)は、絶縁膜(バリア絶縁膜)41との界面F、導電性バリア膜27との界面F、および導電性バリア膜47との界面Fを有している。本実施の形態では、界面Fでの密着力N(配線40の銅部分または主導体膜29と絶縁膜41との間の密着力)、界面Fでの密着力N(配線40の銅部分または主導体膜29と導電性バリア膜27との間の密着力)、および界面Fでの密着力N(配線40の銅部分または主導体膜29と導電性バリア膜47との間の密着力)のうち、Nが最小とならないようにする(MINIMUM[N,N,N]≠N)。さらに、界面Fでの密着力Nが界面Fでの密着力Nより大きければ(N>N)より好ましい。このような構造は、例えば、上記実施の形態2のように、導電性バリア膜47をバイアススパッタリング法によって形成し、上記界面Fでの密着力Nを向上することによって実現できる。それ以外の手法で各界面での密着力N、NおよびNを調整してもよい。
【0094】
本実施の形態では、密着力N、NおよびNのうち、密着力Nが最小ではない。このため、たとえ応力の緩和が起きて配線40の界面にボイドが形成されても、最も密着力が弱い場所はビア45の底部ではないので、ビア45の底部で剥離は生じず、配線40と配線50の間で断線は生じない。また、界面Fでの密着力Nが界面Fでの密着力Nより大きければ(N>N)、特にビア45底部近傍で剥離が起きようとしても、ビア45底部ではなく、配線40の銅部分または主導体膜29と絶縁膜(バリア絶縁膜)41との界面で剥離が起きるので、断線に対するマージンをより拡大することが可能となる。このため、配線の信頼性をより向上し、半導体装置の信頼性をより改善できる。また、半導体装置の製造歩留まりを向上でき、製造コストを低減できる。
【0095】
以上、本発明者によってなされた発明をその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言うまでもない。
【0096】
前記実施の形態では、MISFETを有する半導体装置について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、銅を主成分とする主導体膜を含む配線を有する種々の半導体装置に適用することができる。
【0097】
本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本願において開示される実施の形態のうち、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以下のとおりである。
【0098】
埋込配線形成用の銅を主成分とする主導体膜を形成した後、第1の温度で第1熱処理を行い、第1の温度より低い第2の温度で第2熱処理を行い第1導体膜の応力を緩和させることにより、配線の信頼性を向上させることができる。また、半導体装置の信頼性を改善できる。
【0099】
バイアススパッタリング法を用いて埋込銅配線の導電性バリア膜を形成することにより、高温放置試験後の配線の抵抗上昇をより抑制することができる。従って、埋込銅配線のストレスマイグレーションによる不良をより的確に防止できる。また、バイアススパッタリング法を用いて主導体膜と導電性バリア膜間にシード膜を形成することより、シード膜を導電性バリア膜上に的確に形成でき、埋込銅配線の主導体膜をより的確に形成できる。
【0100】
ビア底部で露出した配線の表面に、水素(H)プラズマ処理のような還元性プラズマ処理、または、水素アニールによる還元処理を行うことで、配線の表面に形成された酸化銅を清浄化することができ、高温放置試験後の配線の抵抗上昇をより抑制することができる。
【0101】
バリア絶縁膜の代わりに、配線上面に銅の拡散を抑制または防止する導電性バリア膜としての金属キャップ膜を形成することで、主導体膜の上面がバリア絶縁膜と接触している場合に比較して、配線のストレスマイグレーションによる不良をより的確に防止できる。
【0102】
主導体膜上を金属膜で覆った状態で第1の熱処理を行うことで、主導体膜の結晶粒内の結晶性を改善し、配線のストレスマイグレーションによる不良をより的確に防止できる。
【0103】
下層配線の銅を主成分とする導体膜と下層配線の導電性バリア膜との間の密着力、下層配線の銅を主成分とする導体膜と下層配線上のバリア絶縁膜との間の密着力、および下層配線の銅を主成分とする導体膜と上層配線の導電性バリア膜との間の密着力のうち、下層配線の銅を主成分とする導体膜と上層配線の導電性バリア膜との間の密着力が最小ではないようにすることにより、下層配線と上層配線との間の断線を防止できる。
【0104】
【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以下のとおりである。
【0105】
銅を主成分とする主導体膜を含む配線の信頼性を向上させることができる。また、半導体装置の信頼性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術によって製造された埋込銅配線の高温放置試験後の抵抗上昇率を示すグラフである。
【図2】高抵抗となった銅配線の断面をTEM観察した結果を模式的に示す断面図である。
【図3】応力が残留したまま銅配線を形成した状態を説明するための断面図である。
【図4】高温放置試験を行った温度と配線の抵抗上昇発生率の関係を示すグラフである。
【図5】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図6】図5に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図7】図6に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図8】図7に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図9】図8に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図10】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程で用いられた熱処理装置の概念的な構造を示す断面図である。
【図11】図9に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図12】図11に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図13】図12に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図14】図13に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図15】図14に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図16】図15に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図17】図16に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図18】図17に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図19】図18に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図20】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程に従って形成された埋込銅配線の高温放置試験後の抵抗上昇率を示すグラフである。
【図21】バイアススパッタリング法を用いて導電性バリア膜を成膜した状態をTEMで観察した結果を模式的に示す要部断面図である。
【図22】DCマグネトロンスパッタリング法を用いて導電性バリア膜を成膜した状態をTEMで観察した結果を模式的に示す要部断面図である。
【図23】ビアの側壁がアンダーカットされた状態を示す要部断面図である。
【図24】アンダーカット構造のビアに対してバイアススパッタリング法を用いて導電性バリア膜を形成した状態を示す要部断面図である。
【図25】導電性バリア膜の剥離強度試験を行った結果を示すグラフである。
【図26】導電性バリア膜をバイアススパッタリング法を用いて形成した場合の埋込銅配線の高温放置試験後の抵抗上昇率を示すグラフである。
【図27】ビアから露出する配線の表面を清浄化するために、配線をエッチングした状態を示す要部断面図である。
【図28】図27の構造に対して、バリア絶縁膜と主導体膜を埋め込んだ状態を示す要部断面図である。
【図29】ビア底部で露出した下層配線を清浄化するためにエッチングした深さWと下層配線中の応力差の関係をシミュレーション計算により求めた結果を示すグラフである。
【図30】水素プラズマ処理を行って下層銅配線の還元処理を行った場合の埋込銅配線の高温放置試験後の抵抗上昇率を示すグラフである。
【図31】本発明の他の実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図32】本発明の他の実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図33】図32に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図34】本発明の他の実施の形態である半導体装置の要部断面図である。
【符号の説明】
1 銅配線
2 層間絶縁膜
3 上層銅配線のビア部(ビア埋込部)
4 ボイド
5 層間絶縁膜
6 配線
7 ビア部
11 半導体基板
12 素子分離領域
13 p型ウエル
14 ゲート絶縁膜
15 ゲート電極
15a シリサイド膜
16 n型半導体領域
17 サイドウォール
18 n型半導体領域
18a シリサイド膜
19 nチャネル型MISFET
20 絶縁膜
21 絶縁膜
22 コンタクトホール
23 プラグ
23a 窒化チタン膜
24 絶縁膜
25 絶縁膜
26 配線溝
27 導電性バリア膜
28 シード膜
29 主導体膜
31 熱処理装置
32 処理室
33 ステージ(載置台)
34 ガス導入口
35 ガス排気口
40 配線
41 絶縁膜
41a 後退領域
42 絶縁膜
43 絶縁膜
44 絶縁膜
45 ビア
46 配線溝
47 導電性バリア膜
48 シード膜
49 主導体膜
50 配線
51 絶縁膜
52 絶縁膜
53 絶縁膜
54 絶縁膜
55 配線
56 絶縁膜
61 金属キャップ膜
62 金属キャップ膜
71 金属膜
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device manufacturing technology and a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device manufacturing technology having a buried interconnect including a main conductor film containing copper as a main component and a technology effective when applied to a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
The elements of the semiconductor device are connected by, for example, a multilayer wiring structure to form a circuit. With the miniaturization, a buried wiring structure has been developed as a wiring structure. The buried wiring structure is, for example, a damascene technology (single-damascene technology and dual-damascene technology) in a wiring opening such as a wiring groove or a hole formed in an insulating film. Is formed by embedding a wiring material.
[0003]
For example, a buried wiring is formed in the groove of the insulating film by depositing a metal film by a plating method so as to fill the groove of the insulating film, and polishing the metal film by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like. You. After depositing the metal film by plating, annealing is performed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-160590 describes a technique of annealing at a temperature in the range of 80 to 200 ° C. immediately after depositing a metal film by a plating method.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
According to the study of the present inventor, if an annealing process is performed after forming a metal film containing copper as a main component, the adhesive strength between the wiring groove and the wiring decreases due to a rapid temperature change during annealing. I knew it was afraid. This leads to a decrease in the reliability of the embedded wiring, which causes a reduction in the manufacturing yield of the semiconductor device and an increase in the manufacturing cost.
[0005]
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device capable of improving the reliability of a wiring including a main conductor film containing copper as a main component.
[0006]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0008]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a first heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. or more after forming a main conductor film mainly containing copper for forming an embedded wiring, The second heat treatment is performed at this temperature.
[0009]
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after forming a main conductor film mainly containing copper for forming an embedded wiring, a first heat treatment is performed at a first temperature to reduce the stress of the first conductor film. The second heat treatment is performed at a second temperature lower than the first temperature so as to relax the temperature.
[0010]
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after forming a main conductor film mainly containing copper for forming an embedded wiring, the first temperature is increased at a first temperature so as to grow crystal grains of the first conductor film. The first heat treatment is performed, and the second heat treatment is performed at a second temperature lower than the first temperature so as to relax the stress of the first conductor film.
[0011]
In addition, the semiconductor device of the present invention is characterized in that the adhesive strength between the copper-based conductor film of the lower wiring and the conductive barrier film of the lower wiring, the copper-based conductor film of the lower wiring and the lower wiring are formed on the lower wiring. Of the lower layer wiring of the conductive film mainly composed of copper and the lower layer wiring of the conductive barrier film of the upper layer wiring. The adhesion between the film and the conductive barrier film of the upper wiring is not minimum.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for describing the embodiments, members having the same functions are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof will be omitted. In the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless it is particularly necessary.
[0013]
(Embodiment 1)
First, the degradation phenomenon of an embedded wiring (embedded copper wiring) having a main conductor film containing copper as a main component, studied by the present inventors, will be described. FIG. 1 is a graph showing a resistance increase rate of a buried copper wiring formed by a conventional technique after a high-temperature storage test (for example, left at 150 ° C. for 100 hours). The horizontal axis of the graph of FIG. 1 corresponds to the rate of increase in the electrical resistance of the embedded copper wiring after the high-temperature storage test (the rate of increase in electrical resistance based on the electrical resistance before the high-temperature storage test). The vertical axis corresponds to cumulative distribution or cumulative probability (Cumulative Probability). FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a result of a TEM (Transmission Electron Microscope) observation of a cross section of the buried copper wiring having an increased electric resistance after the high-temperature storage test and having a high resistance.
[0014]
As can be seen from FIG. 1, the electrical resistance of the buried copper wiring is increased by leaving it at a high temperature. At this time, as shown in FIG. 2, the upper surface of the wiring (lower buried copper wiring) 1 and the via portion (via buried portion) of the upper wiring (upper buried copper wiring) embedded in the interlayer insulating film 2. 3, a void or void 4 is formed. For this reason, the connection area between the lower wiring and the upper wiring is reduced, and the electrical resistance is increased as shown in FIG. Further, the formation of the voids 4 may cause disconnection between the lower wiring and the upper wiring. This reduces the manufacturing yield of the semiconductor device and increases the manufacturing cost.
[0015]
According to the study of the present inventor, when heat treatment (annealing treatment) is performed after the plating step of forming the main conductor film (copper film) of the buried copper wiring, the tensile deformation due to the elastic deformation (heat shrinkage) at the time of the temperature decrease in the heat treatment. Stress (contraction direction) remains or remains in the buried copper wiring. FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a state in which a buried copper wiring is formed while a stress remains. In FIG. 3, a wiring (buried copper wiring) 6 is formed in the interlayer insulating film 5, and the wiring 6 is connected to a via part (via buried part) 7 of an upper wiring (upper buried copper wiring). When the wiring 6 is formed on the interlayer insulating film 5, as schematically shown in FIG. 3, a tensile stress (contraction direction) as schematically shown by an arrow remains in the completed wiring 6. become. The semiconductor substrate or the semiconductor device on which the wiring 6 in which such stress remains is formed is left in a temperature region where the copper diffusion coefficient becomes relatively high and a tensile stress is generated in the copper wiring (high temperature storage). As a result, the stress in the wiring 6 is relaxed, and a void is generated between the wiring 1 (6) and the bottom of the via portion 3 (7) of the upper wiring, as shown in FIG. Causes an increase in wiring resistance as shown in FIG.
[0016]
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature at which the high-temperature storage test was performed and the rate of occurrence of resistance rise in the wiring. The horizontal axis of the graph of FIG. 4 corresponds to the temperature of the high-temperature storage test performed, and the vertical axis of the graph of FIG. Corresponds to the percentage of samples with increased resistance. It can be seen that when the temperature in the high-temperature storage test is 100 ° C. to 250 ° C., a rise in resistance occurs.
[0017]
Therefore, the present inventor has studied to suppress the phenomenon that the resistance of the copper wiring is increased (increased) by such a high temperature storage (test).
[0018]
The manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, for example, a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Effect Transistor) during a manufacturing process.
[0019]
As shown in FIG. 5, an element isolation region 12 is formed on a main surface of a semiconductor substrate (semiconductor wafer) 11 made of, for example, p-type single crystal silicon having a specific resistance of about 1 to 10 Ωcm. The element isolation region 12 is made of silicon oxide or the like, and is formed by, for example, an STI (Shallow Trench Isolation) method or a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method.
[0020]
Next, a p-type well 13 is formed in a region of the semiconductor substrate 11 where an n-channel MISFET is to be formed. The p-type well 13 is formed by, for example, ion-implanting an impurity such as boron (B).
[0021]
Next, a gate insulating film 14 is formed on the surface of the p-type well 13. The gate insulating film 14 is made of, for example, a thin silicon oxide film, and can be formed by, for example, a thermal oxidation method.
[0022]
Next, a gate electrode 15 is formed on the gate insulating film 14 of the p-type well 13. For example, a polycrystalline silicon film is formed on the semiconductor substrate 11, phosphorus (P) or the like is ion-implanted into the polycrystalline silicon film to form a low-resistance n-type semiconductor film, and the polycrystalline silicon film is patterned by dry etching. Thereby, gate electrode 15 made of a polycrystalline silicon film can be formed.
[0023]
Then, impurities such as phosphorus are ion-implanted into regions on both sides of the gate electrode 15 of the p-type well 13 so that n A type semiconductor region 16 is formed.
[0024]
Next, a sidewall spacer or sidewall 17 made of, for example, silicon oxide is formed on the sidewall of the gate electrode 15. The sidewall 17 can be formed, for example, by depositing a silicon oxide film on the semiconductor substrate 11 and anisotropically etching the silicon oxide film.
[0025]
After the formation of the side wall 17, n + The type semiconductor region 18 (source and drain) is formed by ion-implanting an impurity such as phosphorus into regions on both sides of the gate electrode 15 and the sidewall 17 of the p-type well 13. n + Type semiconductor region 18 has n The impurity concentration is higher than that of the type semiconductor region 16.
[0026]
Next, the gate electrode 15 and n + The surface of the type semiconductor region 18 is exposed, and for example, a cobalt (Co) film is deposited and heat-treated, so that the gate electrode 15 and n + A silicide film 15a and a silicide film 18a are formed on the surface of the mold semiconductor region 18, respectively. This gives n + The diffusion resistance of the type semiconductor region 18 and the contact resistance can be reduced. After that, the unreacted cobalt film is removed.
[0027]
In this manner, an n-channel MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) 19 is formed in the p-type well 13.
[0028]
Next, an insulating film 20 made of silicon nitride or the like and an insulating film 21 made of silicon oxide or the like are sequentially deposited on the semiconductor substrate 11. Then, the insulating film 21 and the insulating film 20 are sequentially dry-etched to obtain n + A contact hole 22 is formed above the type semiconductor region (source, drain) 18 or the like. At the bottom of the contact hole 22, a part of the main surface of the semiconductor substrate 11, for example, n + A part of the mold semiconductor region 18 and a part of the gate electrode 15 are exposed.
[0029]
Next, a plug 23 made of tungsten (W) or the like is formed in the contact hole 22. The plug 23 is formed, for example, by forming a titanium nitride film 23a as a barrier film on the insulating film 21 including the inside of the contact hole 22 and then contacting the tungsten film with the titanium nitride film 23a by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like. The hole 22 is formed so as to be filled, and the unnecessary tungsten film and the titanium nitride film 23a on the insulating film 21 can be removed by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or an etch-back method.
[0030]
6 to 9 are cross-sectional views of main parts of the semiconductor device during the manufacturing process following FIG. 6 to 9, parts corresponding to the structure below the insulating film 21 in FIG. 5 are not shown in FIGS.
[0031]
First, as shown in FIG. 6, an insulating film (etching stopper film) 24 is formed on the insulating film 21 in which the plug 23 is embedded. The insulating film 24 is made of, for example, a silicon nitride film or a silicon carbide (SiC) film. When the insulating film 24 is formed by etching a groove or a hole for forming a wiring in an insulating film (interlayer insulating film) 25 in an upper layer, the insulating film 24 may damage the lower layer due to excessive digging or deteriorate processing dimensional accuracy. It is formed in order to avoid doing. That is, the insulating film 24 functions as an etching stopper when the insulating film (interlayer insulating film) 25 is etched. Then, an insulating film (interlayer insulating film) 25 is formed by sequentially depositing a silicon oxide film to which fluorine (F) is added and a silicon oxide film to which fluorine (F) is not added from the lower layer on the insulating film 24. I do. Note that the insulating film 25 may be formed only of a silicon oxide film to which fluorine is not added. Further, by adding fluorine, the dielectric constant of the insulating film 25 can be reduced, so that the overall dielectric constant of the wiring of the semiconductor device can be reduced, and the wiring delay can be improved. Further, the insulating film 25 may be formed of an organic low dielectric constant material.
[0032]
Next, as shown in FIG. 7, a wiring opening, that is, a wiring groove 26 is formed by dry-etching the insulating films 25 and 24 using a photolithography method and an etching method. At this time, the upper surface of the plug 23 is exposed at the bottom of the wiring groove 26.
[0033]
Next, as shown in FIG. 8, a relatively thin conductive film having a thickness of about 50 nm made of a laminated film of, for example, a tantalum (Ta) film and a tantalum nitride (TaN) film is formed over the entire main surface of the substrate 11. A barrier film 27 is formed. The conductive barrier film 27 can be formed by a sputtering method, for example, long distance (long throw) sputtering using a DC magnetron sputtering apparatus. The conductive barrier film 27 has, for example, a function of suppressing or preventing the diffusion of copper for forming a main conductor film described later, a function of improving the wettability of copper when the main conductor film is reflowed, and the like. As a material of the conductive barrier film 27, a high melting point metal nitride such as tungsten nitride (WN) or titanium nitride (TiN), which hardly reacts with copper, may be used instead of tantalum or tantalum nitride. it can. As the material of the conductive barrier film 27, a material obtained by adding silicon (Si) to a high melting point metal nitride, tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W), titanium tungsten (T Refractory metals such as TiW) alloys can also be used. Further, as the conductive barrier film 27, not only a single film of the above material films but also a laminated film can be used.
[0034]
Next, a relatively thin seed film 28 made of a copper (Cu) film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 11 on which the conductive barrier film 27 is deposited, for example, by a sputtering method. Here, the seed film 28 is formed to improve the adhesion between the main conductor film 29 and the conductive barrier film 27. Then, as shown in FIG. 9, over the entire surface of the semiconductor substrate 11 on which the seed film 28 is deposited, a relatively thick main conductor film 29 having a thickness of about 800 to 1600 nm and containing copper as a main component is formed by wiring. It is formed so as to fill the groove 26. The main conductor film 29 can be formed using a plating method such as electrolytic plating or electroless plating. The main conductor film 29 can be formed of, for example, copper or a copper alloy (having Cu as a main component and containing, for example, Mg, Ag, Pd, Ti, Ta, Al, Nb, Zr, Zn, or the like).
[0035]
After the formation of the main conductor film 29, the semiconductor substrate 11 (in a non-oxidizing atmosphere such as a reducing atmosphere (for example, hydrogen atmosphere), an inert gas (for example, He gas or Ar gas) atmosphere, a nitrogen gas atmosphere, or a mixed gas atmosphere thereof). The first heat treatment (first annealing treatment) is performed on the main conductor film 29). Thereby, the (copper) crystal grains of the main conductor film 29 grow. The heat treatment temperature of the first heat treatment is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 400 ° C. to 450 ° C. In this embodiment mode, hydrogen gas (H 2 ) A heat treatment at 400 ° C. was performed for about 2 minutes in a 100% reduced pressure atmosphere. Here, by the first heat treatment, the main conductor film 29 and the seed film 28 are integrated and formed with good adhesion to the conductive barrier film 27. That is, when the main conductive film 29 is directly formed on the conductive barrier film 27 by the electrolytic plating method or the electroless plating method, the adhesion between the main conductive film 29 and the conductive barrier film 27 is poor, and the conductive barrier film 27 is easily peeled. However, after the seed film 28 is formed on the conductive barrier film 27, the main conductor film 29 is formed, and the first heat treatment is performed to improve the adhesion between the main conductor film 29 and the conductive barrier film 27. Can be made.
[0036]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a conceptual structure of a heat treatment apparatus (annealing apparatus) used in the present embodiment. The heat treatment apparatus 31 shown in FIG. 10 includes a processing chamber 32, a stage (mounting table) 33 supported by a support unit (not shown) in the processing chamber 32, and on which the semiconductor substrate (semiconductor wafer) 11 is mounted. A gas inlet port 34 is connected to a gas introduction unit (not shown) for introducing a desired gas into the processing chamber 32 at a desired flow rate, and is connected to a gas exhaust unit (not shown) to evacuate the processing chamber 32 to a desired exhaust speed. And a gas exhaust port 35 for exhausting gas. The stage 33 has a built-in heater for heating, and can heat the semiconductor substrate 11 disposed on the stage 33 at a desired temperature. In the present embodiment, for example, hydrogen gas is introduced from the gas introduction port 34, the exhaust speed from the gas exhaust port 35 is adjusted, the inside of the processing chamber 32 is reduced to a predetermined reduced pressure, and heated with a heater to 400 ° C. By arranging the semiconductor substrate 11 on the stage 33 thus completed, the first heat treatment can be performed. In this case, the semiconductor substrate 11 can be arranged on the stage 33 which has been heated in advance. However, the heating by the heater may be started after the semiconductor substrate 11 is arranged on the stage 33.
[0037]
Note that the first heat treatment can also be performed after a CMP step for the main conductor film 29 described later. Alternatively, the main conductor film 29 may be formed by a sputtering method without forming the seed film 28, and then the main conductor film 29 may be reflowed by the first heat treatment so that copper is buried in the wiring groove 26 without gaps. it can.
[0038]
11 to 19 are cross-sectional views of main parts in the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. For simplicity of understanding, in FIGS. 11 to 19, similarly to FIGS. 6 to 9, parts corresponding to the structure below the insulating film 21 in FIG. 5 are omitted. In addition, since the main conductor film 29 and the seed film 28 are integrated by the first heat treatment, the seed film 28 is omitted and described as the main conductor film 29 to simplify the following description.
[0039]
As shown in FIG. 11, by removing unnecessary conductive barrier film 27 and main conductor film 29 on insulating film 25 and leaving conductive barrier film 27 and main conductor film 29 in wiring groove 26, wiring (First layer wiring) 40 is formed. At this time, unnecessary removal of the conductive barrier film 27 and the main conductor film 29 is performed by polishing using, for example, a CMP method. The wiring 40 is connected to the n + It is electrically connected to the type semiconductor region (source, drain) 18 and the gate electrode 15.
[0040]
Next, in a non-oxidizing atmosphere such as a reducing atmosphere (for example, a hydrogen atmosphere), an inert gas (for example, He gas or Ar gas) atmosphere, a nitrogen gas atmosphere, or a mixed gas atmosphere thereof, the semiconductor substrate 11 (the main conductor film 29 or The second heat treatment (second annealing process) is performed on the wiring 40). The second heat treatment is performed at a heat treatment temperature lower than the heat treatment temperature of the first heat treatment. Thereby, the stress remaining in the wiring 40 can be reduced or reduced. Further, the heat treatment temperature of the second heat treatment is more preferably 100 ° C. to 250 ° C. In this embodiment mode, hydrogen gas (H 2 ) And nitrogen gas (hydrogen gas 1%) in a normal pressure atmosphere at 150 ° C. for about 90 minutes. In addition, by the second heat treatment, copper oxide (CuO, CuO) on the surface of the wiring 40 (main conductor film 29) oxidized by CMP. 2 ) Can be reduced to copper (Cu). Note that the heat treatment apparatus 31 used in the first heat treatment can be used for the second heat treatment.
[0041]
In the present embodiment, the second heat treatment is performed after the CMP step of the main conductor film 29 or the like, but the second heat treatment may be performed before the CMP step of the main conductor film 29 or the like. In this case, after the CMP process, a reduction treatment of the upper surface of the wiring 40 may be separately performed. Note that the second heat treatment is performed at a lower temperature than the first heat treatment after the first heat treatment and before the upper surface of the wiring 40 is covered with a material film (such as an insulating film 41 described later). Should.
[0042]
Next, as shown in FIG. 12, an insulating film (barrier insulating film) 41 is formed on the insulating film 25 in which the wiring 40 is embedded. Then, as shown in FIG. 13, an insulating film (interlayer insulating film) 42, an insulating film (etching stopper film) 43, and an insulating film (interlayer insulating film) 44 are formed on the insulating film. The insulating film 41 is made of, for example, a silicon carbonitride (SiCN) film and functions as a barrier insulating film for copper wiring. Therefore, the insulating film 41 suppresses or prevents copper in the main conductor film 29 of the wiring 40 from diffusing into the insulating film 42. The insulating film 42 can be formed using a material similar to that of the insulating film 25. The insulating films 43 and 44 can be formed using the same material as the insulating films 24 and 25.
[0043]
Next, as shown in FIG. 14, the insulating films 41 to 44 are dry-etched by using a photolithography method or the like to form a wiring opening, that is, a through-hole or via 45 reaching the wiring 40 and a wiring. A groove 46 is formed. At this time, the upper surface of the wiring 40 is exposed at the bottom of the via 45.
[0044]
Next, a process of removing the copper oxide formed on the surface of the wiring 40 (lower-layer copper wiring) exposed at the bottom of the via 45 and cleaning the exposed upper surface of the wiring 40 is performed. This can be performed by, for example, an etching process using argon (Ar) plasma.
[0045]
Next, as shown in FIG. 15, a relatively thin conductive film having a thickness of about 50 nm made of a laminated film of, for example, a tantalum (Ta) film and a tantalum nitride (TaN) film is formed over the entire main surface of the semiconductor substrate 11. The conductive barrier film 47 is formed using a sputtering method or the like. The conductive barrier film 47 has a function similar to that of the conductive barrier film 27, for example, a function of suppressing or preventing the diffusion of copper, and can be formed of the same material as the conductive barrier film 27.
[0046]
Next, a relatively thin seed film 48 made of a copper (Cu) film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 11 on which the conductive barrier film 47 is deposited. Then, as shown in FIG. 16, over the entire surface of the semiconductor substrate 11 on which the seed film 48 has been deposited, a relatively thick main conductor film 49 containing copper as a main component, for example, having a thickness of about 800 to 1600 nm, is formed. 45 and the wiring groove 46 are formed. The main conductor film 49 can be formed by using a plating method such as electrolytic plating or electroless plating, for example, and can be formed of, for example, copper or a copper alloy like the main conductor film 29.
[0047]
After the formation of the main conductor film 49, the semiconductor substrate 11 (in a non-oxidizing atmosphere such as a reducing atmosphere (for example, hydrogen atmosphere), an inert gas (for example, He gas or Ar gas) atmosphere, a nitrogen gas atmosphere, or a mixed gas atmosphere thereof). The first heat treatment (first annealing treatment) is performed on the main conductor film 49). Thereby, the (copper) crystal grains of the main conductor film 49 grow. The heat treatment temperature of the first heat treatment is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 400 ° C. to 450 ° C. In this embodiment mode, hydrogen gas (H 2 ) A heat treatment at 400 ° C. was performed for about 2 minutes in a 100% reduced pressure atmosphere. Here, by the first heat treatment, the main conductor film 29 and the seed film 28 are integrated and formed with good adhesion to the conductive barrier film 27. The first heat treatment for the main conductor film 49 can be performed using the heat treatment device 31 in the same manner as the first heat treatment for the main conductor film 29. Note that the first heat treatment can also be performed after a CMP process for the main conductor film 49 described below. Further, the main conductor film 49 is formed by a sputtering method without forming the seed film 48, and then the main conductor film 49 is reflowed by the first heat treatment, so that copper is left inside the via 45 and the wiring groove 46 without any gap. Can be embedded.
[0048]
Next, as shown in FIG. 17, unnecessary conductive barrier film 47 and main conductive film 49 on insulating film 44 are removed, and conductive barrier film 47 and main conductive film 49 are formed in via 45 and wiring groove 46. Are left, a wiring (second-layer wiring) 50 is formed. At this time, the unnecessary portions of the conductive barrier film 47 and the main conductor film 49 are removed by polishing using, for example, a CMP method. The wiring 50 is electrically connected to the wiring 40 via the conductive barrier film 47 and the main conductor film 49 (that is, the via portion of the wiring 50) embedded in the via 45. Here, since the seed film 48 is integrated with the main conductor film 49 by the above-described first heat treatment, the seed film 48 is omitted and described as the main conductor film 49 to simplify the description. .
[0049]
Next, in a non-oxidizing atmosphere such as a reducing atmosphere (for example, a hydrogen atmosphere), an inert gas (for example, He gas or Ar gas) atmosphere, a nitrogen gas atmosphere, or a mixed gas atmosphere thereof, the semiconductor substrate 11 (the main conductor film 49 or A second heat treatment (second annealing process) is performed on the wiring 50). The second heat treatment is performed at a heat treatment temperature lower than the heat treatment temperature of the first heat treatment. Thereby, the stress remaining in the wiring 50 can be reduced or reduced. Further, the heat treatment temperature of the second heat treatment is more preferably 100 ° C. to 250 ° C. In this embodiment mode, hydrogen gas (H 2 ) And nitrogen gas (hydrogen gas 1%) in a normal pressure atmosphere at 150 ° C. for about 90 minutes. Further, by the second heat treatment, copper oxide (CuO, CuO) on the surface of the wiring 50 (main conductor film 49) oxidized by CMP. 2 ) Can be reduced to copper (Cu). The second heat treatment for the wiring 50 can be performed using the heat treatment apparatus 31 in the same manner as the second heat treatment for the wiring 40.
[0050]
In the present embodiment, the second heat treatment is performed after the CMP step of the main conductor film 49 or the like, but the second heat treatment may be performed before the CMP step of the main conductor film 49 or the like. In this case, after the CMP process, a reduction treatment of the upper surface of the wiring 50 may be separately performed. Note that the second heat treatment is performed at a lower temperature than the first heat treatment after the first heat treatment and before the upper surface of the wiring 50 is covered with a material film (such as an insulating film 51 described later). Should.
[0051]
Next, as shown in FIG. 18, an insulating film (barrier insulating film) 51 made of the same material as the insulating film 41 and having the same function is formed on the insulating film 44 in which the wiring 50 is embedded. Then, as shown in FIG. 19, an insulating film (interlayer insulating film) 52, an insulating film (etching stopper film) 53, and an insulating film ( An interlayer insulating film) 54 is formed. Then, similarly to the via 45 and the wiring groove 46, a via and a wiring groove reaching the wiring 50 are formed, and the wiring (third layer wiring) 55 that fills the via and the wiring groove and is electrically connected to the wiring 50. Is formed by a process similar to the process of forming the wiring 50. Then, an insulating film (barrier insulating film) 56 made of the same material as the insulating film 51 is formed on the insulating film 54 in which the wiring 55 is embedded.
[0052]
Further, if necessary, the same manufacturing process can be repeated to form an upper layer wiring after the fourth layer wiring, but illustration and description thereof are omitted here. Alternatively, an aluminum wiring made of a laminated film such as a titanium film, an aluminum (Al) alloy film, and a titanium nitride film may be formed as an upper wiring, and the aluminum wiring may be used as a bonding pad. The wiring (first layer wiring) 40 is a wiring made of tungsten, an aluminum alloy, or the like, and the wiring (second layer wiring) 50 is a copper wiring (single damascene wiring) formed in the same manner as the wiring 40 described above. The (third layer wiring) 55 may be a copper wiring (dual damascene wiring) formed in the same manner as the wiring 50 described above.
[0053]
FIG. 20 is a graph showing the rate of increase in resistance of the embedded copper wiring formed according to the present embodiment after the high-temperature storage test. The horizontal axis of the graph of FIG. 20 corresponds to the increase rate of the electrical resistance of the wiring after the high-temperature storage test (the increase rate of the electrical resistance based on the electrical resistance before the high-temperature storage test), and the vertical axis of the graph of FIG. Corresponds to the distribution or cumulative probability (Cumulative Probability). The high-temperature storage test performed was a storage test at 150 ° C. for 100 hours, and the rate of increase (increase) in resistance was calculated by comparing the electrical resistance of the wiring before and after the storage test. The graph of FIG. 20 shows the case where the first heat treatment (annealing) is performed at 400 ° C. for 2 minutes and the second heat treatment (annealing) is performed at 150 ° C. for 90 minutes as in the present embodiment (black circles in the graph). Not only), but also in the case of a comparative example in which both the first heat treatment and the second heat treatment were performed at 300 ° C. (the heat treatment time was 2 minutes) (shown by white circles in the graph). It has become.
[0054]
As can be seen from the graph of FIG. 20, by performing the heat treatment under the conditions as in the present embodiment, an increase in the resistance of the wiring after high-temperature storage (test) is suppressed.
[0055]
As described above, in the present embodiment, the first heat treatment is performed after forming the main conductor films (main conductor films 29 and 49) for forming the embedded copper wirings (wirings 40, 50 and 55). . The crystal grains of the main conductor film are relatively small immediately after being formed, but grow by the first heat treatment. For this reason, the grain size (grain size) of the crystal grains of the main conductor film (copper film) after the first heat treatment increases as the temperature of the first heat treatment increases. Since the stress of the buried copper wiring is generated via the grain boundary of the main conductor film, the stress relaxation in the wiring can be suppressed by increasing the grain size and reducing the grain boundary. For this reason, by performing the first heat treatment at a relatively high temperature to make the crystal grain size of the main conductor film relatively large, it is possible to prevent defects due to stress migration of the embedded copper wiring. Therefore, the heat treatment temperature of the first heat treatment is preferably 400 ° C. or more, and more preferably 400 ° C. to 450 ° C. However, if the heat treatment temperature of the first heat treatment is too high, there is a possibility that an adverse effect may be exerted on an interlayer insulating film and the like. The first heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere such as a reducing atmosphere (eg, a hydrogen atmosphere), an inert gas (eg, a He gas or an Ar gas) atmosphere, a nitrogen gas atmosphere, or a mixed gas atmosphere thereof, that is, a reducing atmosphere. Alternatively, the reaction is preferably performed under an inert atmosphere at normal pressure (atmospheric pressure) or reduced pressure.
[0056]
When the temperature is lowered after the first heat treatment, the main conductor film thermally contracts, and a tensile stress (contraction direction) is generated in the main conductor film. When a material film (the insulating films 41 and 42 and the insulating films 51 and 52) covering the upper surface of the wiring is formed while the tensile stress remains or remains, the wiring is fixed with the remaining stress. When the residual stress of the wiring is relaxed later, the heat shrinkage component becomes a void, causing an open failure at the bottom of the via portion of the buried copper wiring, thereby increasing the wiring resistance. In this embodiment, the second heat treatment is performed after the first heat treatment and before the formation of the material films (barrier insulating films 41 and 51) covering the upper surface of the wiring, whereby the wiring (main conductor film) is formed. The stress remaining therein can be reduced or reduced. After that, by forming a barrier insulating film, an interlayer insulating film, and the like on the wiring, the wiring is fixed with little residual or residual stress. For this reason, a void does not occur at the bottom of the via portion of the buried copper wiring later to cause an open failure. Thereby, as shown in the graph of FIG. 20, it is possible to suppress an increase in the resistance of the wiring after being left at a high temperature. Therefore, the reliability of the wiring can be further improved, and the reliability of the semiconductor device can be further improved. Further, the production yield of the semiconductor device can be improved, and the production cost can be reduced.
[0057]
The second heat treatment is performed at a temperature lower than the first heat treatment temperature. However, if the second heat treatment is performed in a temperature range in which the copper diffusion coefficient increases to some extent and a tensile stress occurs in the wiring, the second heat treatment is performed during the second heat treatment. This is more preferable because the residual stress in the wiring is easily reduced. Therefore, the heat treatment temperature of the second heat treatment is more preferably 100 ° C to 250 ° C. As shown in the graph of FIG. 4, this temperature region corresponds to a temperature region where resistance rise is likely to occur when the semiconductor substrate or the semiconductor device on which the embedded copper wiring is formed is left at a high temperature.
[0058]
In the case of FIG. 4, the stress in the wiring was relaxed during the high-temperature storage test, voids were generated between the wirings, and the resistance of the wiring increased. However, in the present embodiment, before covering the upper surface of the wiring, the heat is applied to the wiring in such a temperature region (a temperature region where the stress is easily relaxed, that is, 100 ° C. to 250 ° C.) (second heat treatment). Of the wiring, the upper surface of the wiring is covered with the stress reduced or reduced, and the wiring is fixed. Therefore, in the state of the finished product, stress is hardly alleviated in the wiring even when the high-temperature storage test is performed, and no void is generated between the wirings. As a result, defects due to stress migration of the buried copper wiring can be prevented, that is, the stress migration characteristics can be improved. Resistance rise due to the high-temperature storage test is also suppressed.
[0059]
The second heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere such as a reducing atmosphere (for example, a hydrogen atmosphere), an inert gas (for example, He gas or Ar gas) atmosphere, a nitrogen gas atmosphere, or a mixed gas atmosphere thereof, that is, a reducing atmosphere. Alternatively, the reaction is preferably performed under an inert atmosphere at normal pressure (atmospheric pressure) or reduced pressure. When the heat treatment temperature of the second heat treatment is 100 ° C. or more, the surface of the wiring can be reduced while the stress remaining in the wiring is reduced, so that the number of manufacturing steps of the semiconductor device can be reduced. Note that when the heat treatment temperature of the second heat treatment is low and the reduction of the wiring surface is insufficient, a surface treatment (for example, removal of copper oxide with an acid) is performed separately from the second heat treatment to clean the surface of the wiring. It should just be. At this time, it should be noted that a process that is higher than the heat treatment temperature in the first heat treatment is not performed. Therefore, in this embodiment, the heat treatment temperature in the first heat treatment is used until a material film (for example, a barrier insulating film) is formed over the insulating film in which the wiring is buried and the upper surface of the wiring is covered. The processing to reach the above temperature is not performed.
[0060]
Further, in this embodiment mode, the first heat treatment and the second heat treatment are performed in different steps; however, the first heat treatment and the second heat treatment can be continuously performed in the same step. In this case, for example, the semiconductor substrate 11 is heat-treated at 400 ° C. for about 2 minutes in a mixed gas atmosphere of hydrogen gas and nitrogen gas (first heat treatment), and then the temperature of the semiconductor substrate 11 is reduced to 150 ° C. Then, the temperature is maintained at 150 ° C. for about 90 minutes (second heat treatment), and then the temperature of the semiconductor substrate 11 is lowered to room temperature. As described above, by continuously performing the first heat treatment and the second heat treatment in the same step, the residual stress of the main conductor film is relaxed without including another step therebetween, and the conductive barrier film and Is obtained, so that the reliability of the semiconductor device can be further improved.
[0061]
According to the study of the present inventors, in a wiring structure in which the diameter (diameter) of the via 45 is, for example, 0.3 μm or less, and the width of the wiring groove 26 or 46 is, for example, 1 μm or more, it is necessary to leave it at a high temperature. Resistance rises easily. Even in a wiring structure having such dimensions, by performing a heat treatment (a first heat treatment and a second heat treatment) as in the manufacturing method of the present embodiment, it is possible to suppress an increase in electrical resistance of the wiring due to high temperature storage. Can be.
[0062]
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the conductive barrier films of the buried copper wiring, for example, the conductive barrier films 27 and 47 are formed by using a DC magnetron sputtering method or the like. In the present embodiment, the conductive barrier films of the buried copper wiring (the conductive barrier films 27 and 47) are formed by a bias sputtering method using an ionized metal. The bias sputtering method is a method of forming a film on the semiconductor substrate (semiconductor wafer) 11 by sputtering while applying a bias voltage to the semiconductor substrate (semiconductor wafer) 11 with a high-frequency power supply or the like. In the present embodiment, the bias power applied to the semiconductor substrate 11 is, for example, 1 W / cm in the step of forming the tantalum films of the conductive barrier films 27 and 47. 2 (Applied power per unit area of the semiconductor substrate) or more, for example, 0.9 W / cm in the step of forming the tantalum nitride films of the conductive barrier films 27 and 47. 2 (Applied power per unit area of the semiconductor substrate) or more, and the discharge pressure was 0.1 Pa or less, respectively. The film forming gas is an argon gas in the step of forming the tantalum films of the conductive barrier films 27 and 47, and a mixed gas of argon and nitrogen in the step of forming the tantalum nitride films of the conductive barrier films 27 and 47. there were. As the material of the conductive barrier films 27 and 47, other than the laminated film of the tantalum film and the tantalum nitride film, the materials exemplified in the first embodiment can be used. Other manufacturing steps and structures are almost the same as those in the first embodiment, and thus detailed description is omitted here.
[0063]
FIG. 21 is a cross-sectional view of a main part schematically showing a result of observing, with a TEM, a state in which a conductive barrier film 47 is formed on the inner wall (bottom and side walls) of the via 45 by using the bias sputtering method. FIG. 22 is a diagram schematically showing a result of observing a state in which the conductive barrier film 47 is formed on the inner wall of the via 35 by using a DC magnetron sputtering method, here, a long distance (long throw) sputtering method, using a TEM. It is a fragmentary sectional view.
[0064]
As can be seen from FIG. 22, the conductive barrier film 47 is formed asymmetrically at the bottom of the via 45 even when using the long-distance sputtering method in which the coverage of the formed film is relatively good, and the corner at the bottom of the via 45 is formed. In the vicinity, there may be a region where the conductive barrier film 47 is not formed. Further, the conductive barrier film 47 is not easily formed on the side wall of the via 45. However, as can be seen from FIG. 21, the conductive barrier film 47 is formed on the bottom and the side wall of the via 45 by forming the conductive barrier film 47 using the bias sputtering method as in the present embodiment. can do. The conductive barrier film 47 is also formed symmetrically or uniformly at the bottom of the via 45. The conductive barrier film 47 is also formed near the corner at the bottom of the via 45, and there is no region where the conductive barrier film 47 is not formed and the underlying material film is exposed. For this reason, the coverage of the conductive barrier film 47 can be improved or improved by using the bias sputtering method.
[0065]
Further, when the insulating film 42 and the insulating film 41 are dry-etched to form the via 45, the insulating film 41 is side-etched and the side wall of the via 45 is undercut by selection of etching conditions or the like. Sometimes. FIG. 23 is a cross-sectional view of a main part showing a state where the insulating film 41 is side-etched and the side wall of the via 45 is undercut. As shown in FIG. 23, when the insulating film 41 is side-etched, the diameter of the opening of the insulating film 41 becomes larger than the diameter of the opening of the insulating film 42, and at the bottom end of the via 45, A recessed region 41 a is formed in which the sidewall of the insulating film 41 is recessed in the direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate 11 more than the sidewall of the insulating film 42. If the conductive barrier film 47 is not buried in such a recessed region 41a when forming the conductive barrier film 47, voids may be formed and the reliability of the wiring 50 may be adversely affected.
[0066]
FIG. 24 is a cross-sectional view of a principal part showing a state in which a conductive barrier film 47 is formed on a via having an undercut structure as shown in FIG. 23 by using a bias sputtering method. By forming the conductive barrier film 47 by using the bias sputtering method as in the present embodiment, as shown in FIG. 24, even if the recessed region 41a is generated at the bottom end of the via 45, Then, the recessed region 41a can be filled with the conductive barrier film 47, and no void occurs. Thereby, the reliability of the wiring 50 can be further improved.
[0067]
FIG. 25 is a graph showing the results of conducting a peel strength test of the conductive barrier film. In the graph of FIG. 25, the conductive barrier film is formed by using DC magnetron sputtering, here long-distance sputtering, and by using bias sputtering as in this embodiment. The measurement results of the peel strength (arbitrary unit) of the conductive barrier film are shown. In the peel strength test, a conductive barrier film, here a laminated film of a tantalum film and a tantalum nitride film, is formed on a test semiconductor substrate (wafer) by the above two types of film forming methods, and the formed conductive barrier film is formed. The peel strength of the film was measured. As shown in FIG. 25, the peel strength of the conductive barrier film can be increased by using the bias sputtering method. Thereby, the adhesive force or the adhesive force between the conductive barrier film and the base material film (the wiring 40 and the insulating films 41 to 44) can be improved.
[0068]
FIG. 26 is a graph showing the rate of increase in resistance of a buried copper wiring after a high-temperature storage test when a conductive barrier film is formed using a bias sputtering method as in the present embodiment. The horizontal axis of the graph of FIG. 26 corresponds to the rate of increase in the electrical resistance of the wiring after the high-temperature storage test (the rate of increase in electrical resistance based on the electrical resistance before the high-temperature storage), and the vertical axis of the graph of FIG. Corresponds to the distribution or cumulative probability (Cumulative Probability). The high-temperature storage test performed was a storage test at 150 ° C. for 100 hours, and the rate of increase (increase) in resistance was calculated by comparing the electrical resistance of the wiring before and after the storage test. The graph of FIG. 26 shows not only the case where the conductive barrier film of the wiring is formed by the bias sputtering method as shown in this embodiment (shown by a black circle in the graph), but also the conductive barrier film of the wiring. Is also graphed using DC magnetron sputtering (without applying a bias voltage to the semiconductor substrate) (indicated by white circles in the graph). Note that in both cases, the first heat treatment is performed at 400 ° C. and the second heat treatment is performed at 150 ° C.
[0069]
As can be seen from the graph of FIG. 26, by forming the conductive barrier film of the buried copper wiring by using the bias sputtering method as in the present embodiment, the increase in the resistance of the wiring after the high-temperature storage test is further suppressed. be able to. Therefore, in the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment are obtained, and furthermore, the conductive barrier film of the buried copper wiring is formed by using the bias sputtering method. As a result, it is possible to more accurately prevent the failure due to the stress migration of the embedded copper wiring. Further, the reliability of the wiring can be further improved, and the reliability of the semiconductor device can be further improved. Further, the production yield of the semiconductor device can be improved, and the production cost can be reduced.
[0070]
Further, in the present embodiment, the conductive barrier film of the buried copper wiring is formed by using the bias sputtering method, but the main conductor films of the buried copper wiring (the main conductive films 29 and 49) are formed. Films (seed films 28 and 48) can be formed by bias sputtering. Thereby, the seed films 28 and 48 can be formed accurately on the conductive barrier film, and the main conductor film of the buried copper wiring can be formed more accurately.
[0071]
In this embodiment, the conductive barrier film of the buried copper wiring is formed by using the bias sputtering method. However, the conductive barrier film is formed by using the conductive barrier film formed by the bias sputtering method and the CVD method. It may be composed of a laminated film obtained by laminating a conductive barrier film formed by a method.
[0072]
The conductive barrier film formed by the bias sputtering method is made of, for example, a high melting point metal such as Ta (tantalum) or a high melting point metal nitride such as TaN (tantalum nitride), and is formed by a CVD method. Is made of a material obtained by adding silicon (Si) to a refractory metal nitride, for example, a TiSiN (titanium silicon nitride) film. Since the conductive barrier film formed by the CVD method has a higher covering property than the bias sputtering method, by forming a laminated film, the thickness of the entire conductive barrier film can be reduced without impairing the barrier property. A conductive barrier film can be formed in a suitable connection hole. Further, since the resistance of the entire conductive barrier film can be reduced, the delay due to the wiring resistance can be improved.
[0073]
As a material of the conductive barrier film formed by such a bias sputtering method, instead of tantalum or tantalum nitride, a high melting point metal such as tungsten nitride (WN) or titanium nitride (TiN) which hardly reacts with copper is used. Nitride can also be used. In addition, as a material of the conductive barrier film formed by the CVD method, a material obtained by adding silicon (Si) to another refractory metal nitride, a tantalum (Ta) hardly reacting with copper, Refractory metals or refractory metal nitrides such as titanium (Ti), tungsten (W), and titanium tungsten (TiW) alloys can also be used.
[0074]
(Embodiment 3)
In the first embodiment, after forming the via 45 and the wiring groove 46 and before forming the conductive barrier film 47, the oxidation formed on the surface of the wiring 40 (lower copper wiring) exposed at the bottom of the via 45. An etching process using Ar plasma is performed to remove copper, a conductive barrier film 47 is formed on the cleaned wiring 40, and a wiring 50 (upper copper wiring) is formed.
[0075]
In the present embodiment, in order to clean copper oxide formed on the surface of the wiring 40 exposed at the bottom of the via 45, hydrogen (H 2 ) A reduction treatment by a reducing plasma treatment such as a plasma treatment is performed. For example, the semiconductor substrate 11 is placed in a processing chamber of a plasma CVD apparatus, and hydrogen gas (H 2 ), And applying a plasma power supply to the semiconductor substrate 11 (particularly, the exposed surface of the wiring 40 at the bottom of the via 45). By such a reducing plasma treatment, on the surface of the wiring 40 at the bottom of the via 45, the copper oxide (CuO, CuO 2 ) Is reduced to copper (Cu). In addition, instead of the hydrogen plasma treatment, the surface of the wiring 40 at the bottom of the via 45 can be reduced by annealing in a reducing atmosphere such as hydrogen (in a containing atmosphere). Therefore, in this embodiment, the exposed surface of the wiring 40 is subjected to a reduction treatment for oxygen in an atmosphere containing hydrogen.
[0076]
In this embodiment mode, hydrogen (H 2 2) Since the copper oxide formed on the surface of the wiring 40 exposed at the bottom of the via 45 by plasma processing or the like is reduced, the wiring 40 is not etched. Other manufacturing steps and structures are almost the same as those in the first embodiment, and thus detailed description is omitted here.
[0077]
The details of the main part in the present embodiment will be described with reference to FIGS. In FIG. 28, the seed film 48 is included in the main conductor film 49 as in the first embodiment, and is not shown.
[0078]
FIG. 27 is a cross-sectional view of a main part showing a state where the wiring 40 is etched (digged) in order to clean the surface of the wiring 40 exposed from the via 45. FIG. 28 is a cross-sectional view of a main part showing a state where the barrier insulating film 47 and the main conductor film 49 are embedded in the via having the structure shown in FIG.
[0079]
As shown in FIGS. 27 and 28, when the wiring 40 is etched by argon plasma or the like in order to clean the surface of the wiring 40 exposed from the via 45, the upper surface of the wiring 40 has an etching depth W. 1 Only the etching causes a depression and a step. However, when the reduction process is performed by the reducing plasma process such as the hydrogen plasma process as in the present embodiment, the wiring 40 is hardly etched and the etching depth W 1 Can be made substantially zero.
[0080]
FIG. 29 shows a depth (amount) W obtained by etching (digging) the wiring 40 at the bottom of the via 45. 1 6 is a graph showing a result obtained by performing a simulation calculation on the relationship between a stress difference generated in a formed wiring 40 (a difference between a maximum value and a minimum value of the stress in the wiring 40). FIG. 29 shows a case where the wiring 40 is not etched (the etching depth W 1 = 0 nm) and 50 nm by etching with argon plasma or the like (etching depth W 1 = 50 nm).
[0081]
As can be seen from FIG. 29, when the wiring 40 exposed from the via 45 is etched, the stress difference in the wiring 40 increases. If the stress difference in the wiring 40 is large or the stress gradient is large, the movement of copper in the wiring 40 is promoted, and defects due to stress migration are likely to occur. This may reduce the reliability of the embedded copper wiring. By reducing the wiring 40 exposed at the bottom of the via 45 by hydrogen plasma processing or the like as in the present embodiment, the depth (amount) of the etched (digged) wiring 40 is made substantially zero. Therefore, the stress difference in the wiring 40 can be reduced. As a result, the occurrence of defects due to stress migration can be more accurately prevented, and the reliability of the embedded copper wiring can be further improved.
[0082]
FIG. 30 is a graph showing the rate of increase in resistance of a buried copper wiring after a high-temperature storage test when hydrogen plasma processing is performed after the formation of vias and wiring grooves to reduce the lower copper wiring, as in the present embodiment. It is. The horizontal axis of the graph of FIG. 30 corresponds to the increase rate of the electrical resistance of the wiring after the high-temperature storage test (the increase rate of the electrical resistance based on the electrical resistance before the high-temperature storage test), and the vertical axis of the graph of FIG. Corresponds to the distribution or cumulative probability (Cumulative Probability). The high-temperature storage test performed was a storage test at 150 ° C. for 100 hours, and the rate of increase (increase) in resistance was calculated by comparing the electrical resistance of the wiring before and after the storage test. The graph of FIG. 30 shows the case where the lower copper wiring exposed at the bottom of the via is subjected to reduction treatment with hydrogen plasma as in the present embodiment, and then the conductive barrier film is formed to form the upper copper wiring (graph In addition to the case where the lower copper wiring exposed at the bottom of the via is etched using argon (Ar) plasma and then a conductive barrier film is formed to form the upper copper wiring (indicated by black circles in the drawing), (Indicated by a white circle in the graph). The etching amount (depth) of the lower copper wiring by argon plasma is about 3 nm in terms of a silicon oxide film (corresponding to several tens of nm in terms of CuO). Note that in both cases, the first heat treatment is performed at 400 ° C. and the second heat treatment is performed at 150 ° C.
[0083]
As can be seen from the graph of FIG. 30, under the conditions as in the present embodiment, the lower copper wiring exposed at the bottom of the via is cleaned to further suppress the increase in resistance of the wiring after the high-temperature storage test. Can be. Therefore, in the present embodiment, the same effect as in the first embodiment is obtained, and furthermore, the surface of the wiring exposed at the bottom of the via is subjected to a reducing plasma treatment such as a hydrogen plasma treatment or a reduction treatment by hydrogen annealing. By doing so, it is possible to more properly prevent defects due to stress migration of the embedded copper wiring as compared to the first embodiment. Further, the reliability of the wiring can be further improved, and the reliability of the semiconductor device can be further improved. Further, the production yield of the semiconductor device can be improved, and the production cost can be reduced.
[0084]
(Embodiment 4)
FIG. 31 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention during the manufacturing process thereof, which corresponds to the process step of FIG. In FIG. 31, the seed films 28 and 48 are included in the main conductor films 29 and 49 as in the first embodiment, and are not shown.
[0085]
In the first embodiment, the upper surfaces of the wirings 40 and 50 are covered with the insulating films 41 and 51 as barrier insulating films. In the present embodiment, instead of the barrier insulating films (insulating films 41 and 51), metal cap films 61 and 62 as conductive barrier films for suppressing or preventing copper diffusion on the upper surfaces of the wirings 40 and 50. To form
[0086]
The metal cap films 61 and 62 can be formed by, for example, a selective tungsten CVD method. For example, as shown in FIG. 11, after forming the wiring 40 embedded in the wiring groove 26, tungsten hexafluoride (WF) 6 ) And hydrogen (H 2 A) A metal cap film 61 is formed by selectively depositing a tungsten film on the upper surface of the wiring 40 exposed from the insulating film 25 by a CVD method using a gas. After that, the insulating film 42 is formed without forming the insulating film (barrier insulating film) 41. The metal cap film 62 can be formed in the same manner as the metal cap film 61. As another material of the metal cap films 61 and 62, another refractory metal or refractory metal nitride that functions as a barrier film, for example, titanium nitride (TiN) or tantalum nitride (TaN) can be used. Other manufacturing steps and structures are almost the same as those in the first embodiment, and thus detailed description is omitted here.
[0087]
In the present embodiment, the periphery (upper surface, side surface, and bottom surface) of a portion (main conductor film 29) mainly containing copper of wiring 40 is a metal film or a metal nitride film (conductive barrier film) as a conductive barrier film. It is surrounded by the film 27 and the metal cap film 61). Similarly, the periphery (upper surface, side surface, and bottom surface) of a portion (main conductor film 49) of which the main component is copper of the wiring 50 is a metal film or a metal nitride film (conductive barrier film 47 and conductive barrier film 47) as a conductive barrier film. It is surrounded by the metal cap film 62). In the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment are obtained, and furthermore, the entire periphery of the portion of the copper wiring containing copper as a main component is surrounded by a metal film or a metal nitride film. As compared with the case where the upper surfaces of the body film 29 and the main conductor film 49 are in contact with the insulating film (barrier insulating film) (the first embodiment), the failure due to the stress migration of the wiring 40 and the wiring 50 is more accurately performed. (The stress migration characteristics can be further improved). Therefore, the reliability of the wiring can be further improved, and the reliability of the semiconductor device can be further improved. Further, the production yield of the semiconductor device can be improved, and the production cost can be reduced.
[0088]
(Embodiment 5)
32 and 33 are main-portion cross-sectional views of a semiconductor device in another embodiment of the present invention during the manufacturing process thereof, which correspond to the process steps subsequent to FIG. In FIG. 33, the seed films 28 and 48 are included in the main conductor films 29 and 49, as in the first embodiment, and are not shown.
[0089]
In the first embodiment, after the main conductor film 49 is formed, the first heat treatment is performed, and thereafter, the unnecessary conductive barrier film 47 and the unnecessary main conductor film 49 are removed by the CMP method. In this embodiment, as shown in FIG. 32, after a main conductor film 49 is formed, tantalum (Ta), tungsten (W), titanium (Ti), ruthenium (Ru), or the like is formed on main conductor film 49. A metal film 71 is formed. As the metal film 71, a metal nitride film such as tungsten nitride, titanium nitride, or tantalum nitride can be used. Then, a first heat treatment similar to that of the first embodiment is performed. Then, as shown in FIG. 33, the metal film 71 and the unnecessary conductive barrier film 47 and the main conductive film 49 are removed by using the CMP method or the like, and the conductive barrier film is formed in the via 45 and the wiring groove 46. The wiring 50 is formed by leaving the 47 and the main conductor film 49. In the CMP process, the metal film 71 is completely removed. Then, a second heat treatment similar to that of the first embodiment is performed. Note that the wiring 40 can be formed in a similar manner.
[0090]
In the present embodiment, the same effect as in the first embodiment is obtained, and further, a first heat treatment is performed in a state where the main conductor film 49 is covered with the metal film 71, so that the main conductor film 49 is formed. The effect that the crystallinity in the crystal grains can be further improved as compared with the first embodiment. For this reason, it is possible to more appropriately prevent the failure of the wiring 50 due to the stress migration. Further, the reliability of the wiring can be further improved, and the reliability of the semiconductor device can be further improved. Further, the production yield of the semiconductor device can be improved, and the production cost can be reduced.
[0091]
(Embodiment 6)
FIG. 34 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention, which corresponds to part of FIG. In FIG. 34, the seed films 28 and 48 are included in the main conductor films 29 and 49 as in the first embodiment, and are not shown.
[0092]
In the present embodiment, the occurrence of disconnection of the copper wiring is suppressed or prevented by adjusting the peel strength or adhesion (adhesion) at the interface of the copper wiring.
[0093]
Focusing on the wiring 40, the copper portion of the wiring 40 or the main conductor film 29 (including the seed film 28) forms an interface F with the insulating film (barrier insulating film) 41. 1 , Interface F with conductive barrier film 27 2 And interface F with conductive barrier film 47 3 have. In the present embodiment, the interface F 1 Adhesion N 1 (Adhesion force between copper portion of wiring 40 or main conductive film 29 and insulating film 41), interface F 2 Adhesion N 2 (Adhesion force between copper portion of wiring 40 or main conductive film 29 and conductive barrier film 27), and interface F 3 Adhesion N 3 (Adhesion force between copper portion of wiring 40 or main conductor film 29 and conductive barrier film 47) 3 Is not minimized (MINIMUM [N 1 , N 2 , N 3 ] ≠ N 3 ). Further, the interface F 3 Adhesion N 3 Is the interface F 1 Adhesion N 1 If larger (N 3 > N 1 ) Is more preferred. In such a structure, for example, as in Embodiment 2, the conductive barrier film 47 is formed by bias sputtering, and the interface F 3 Adhesion N 3 Can be realized by improving Adhesion force N at each interface by other methods 1 , N 2 And N 3 May be adjusted.
[0094]
In the present embodiment, the adhesion N 1 , N 2 And N 3 Of which is the adhesion N 3 Is not minimal. For this reason, even if the stress is relaxed and a void is formed at the interface of the wiring 40, the weakest adhesion force is not at the bottom of the via 45, so that separation does not occur at the bottom of the via 45, and No disconnection occurs between the wirings 50. Also, the interface F 3 Adhesion N 3 Is the interface F 1 Adhesion N 1 If it is larger (N 3 > N 1 In particular, even if the peeling is likely to occur near the bottom of the via 45, the peeling occurs not at the bottom of the via 45 but at the interface between the copper portion of the wiring 40 or the interface between the main conductor film 29 and the insulating film (barrier insulating film) 41. Can be further expanded. Therefore, the reliability of the wiring can be further improved, and the reliability of the semiconductor device can be further improved. Further, the production yield of the semiconductor device can be improved, and the production cost can be reduced.
[0095]
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and can be variously modified without departing from the gist thereof. Needless to say.
[0096]
In the above embodiment, a semiconductor device having a MISFET has been described. However, the present invention is not limited to this, and is applied to various semiconductor devices having a wiring including a main conductor film containing copper as a main component. be able to.
[0097]
Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiments, among the embodiments disclosed in the present application, the effects obtained by typical ones will be briefly described as follows. is there.
[0098]
After forming a main conductor film containing copper as a main component for forming an embedded wiring, a first heat treatment is performed at a first temperature, and a second heat treatment is performed at a second temperature lower than the first temperature. By relaxing the stress of the film, the reliability of the wiring can be improved. Further, the reliability of the semiconductor device can be improved.
[0099]
By forming the conductive barrier film of the buried copper wiring by using the bias sputtering method, it is possible to further suppress an increase in the resistance of the wiring after the high-temperature storage test. Therefore, the failure due to the stress migration of the embedded copper wiring can be more accurately prevented. Also, by forming a seed film between the main conductor film and the conductive barrier film by using the bias sputtering method, the seed film can be formed accurately on the conductive barrier film, and the main conductor film of the buried copper wiring can be formed more efficiently. It can be formed precisely.
[0100]
Hydrogen (H) is applied to the surface of the wiring exposed at the bottom of the via. 2 ) By performing a reducing plasma treatment such as a plasma treatment or a reduction treatment by hydrogen annealing, copper oxide formed on the surface of the wiring can be cleaned, and the resistance of the wiring after a high-temperature storage test increases. It can be more suppressed.
[0101]
By forming a metal cap film as a conductive barrier film that suppresses or prevents the diffusion of copper on the top surface of the wiring instead of the barrier insulation film, compared to the case where the top surface of the main conductor film is in contact with the barrier insulation film As a result, defects due to stress migration of the wiring can be more accurately prevented.
[0102]
By performing the first heat treatment in a state where the main conductor film is covered with the metal film, crystallinity in the crystal grains of the main conductor film can be improved, and defects due to stress migration of the wiring can be more accurately prevented.
[0103]
Adhesion between the copper-based conductor film of the lower wiring and the conductive barrier film of the lower wiring, adhesion between the copper-based conductor film of the lower wiring and the barrier insulating film on the lower wiring Of the force and the adhesive force between the conductive film mainly composed of copper of the lower wiring and the conductive barrier film of the upper wiring, the conductive film mainly composed of copper of the lower wiring and the conductive barrier film of the upper wiring By preventing the adhesive force between the lower wiring and the upper wiring from being disconnected, disconnection between the lower wiring and the upper wiring can be prevented.
[0104]
【The invention's effect】
The effects obtained by typical aspects of the invention disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0105]
The reliability of wiring including a main conductor film containing copper as a main component can be improved. Further, the reliability of the semiconductor device can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a resistance increase rate of a buried copper wiring manufactured by a conventional technique after a high-temperature storage test.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a result of TEM observation of a cross section of a copper wiring having high resistance.
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a state where a copper wiring is formed while a stress remains.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature at which a high-temperature storage test was performed and the rate of occurrence of resistance rise in wiring.
FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the embodiment of the invention during a manufacturing step;
FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 5;
FIG. 7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 6;
8 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 7;
9 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 8;
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a conceptual structure of a heat treatment apparatus used in a manufacturing process of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
11 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 9;
12 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 11;
13 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 12;
14 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 13;
15 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 14;
16 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 15;
17 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 16;
18 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 17;
19 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 18;
FIG. 20 is a graph showing a resistance increase rate of a buried copper wiring formed according to a manufacturing process of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention after a high-temperature storage test.
FIG. 21 is a cross-sectional view of a principal part schematically showing a result of observing, by TEM, a state in which a conductive barrier film is formed by using a bias sputtering method.
FIG. 22 is a cross-sectional view of a principal part schematically showing a result of observing, with a TEM, a state in which a conductive barrier film has been formed by using a DC magnetron sputtering method.
FIG. 23 is an essential part cross-sectional view showing a state where the side wall of the via is undercut.
FIG. 24 is an essential part cross-sectional view showing a state in which a conductive barrier film is formed on a via having an undercut structure by using a bias sputtering method.
FIG. 25 is a graph showing the results of conducting a peel strength test of a conductive barrier film.
FIG. 26 is a graph showing a resistance increase rate of a buried copper wiring after a high-temperature storage test when a conductive barrier film is formed by a bias sputtering method.
FIG. 27 is a fragmentary cross-sectional view showing a state in which the wiring is etched to clean the surface of the wiring exposed from the via.
28 is a fragmentary cross-sectional view showing a state where a barrier insulating film and a main conductor film are embedded in the structure of FIG. 27;
FIG. 29 shows a depth W etched to clean the lower wiring exposed at the bottom of the via; 1 9 is a graph showing a result obtained by performing a simulation calculation on a relationship between a stress difference in a lower wiring and a lower wiring.
FIG. 30 is a graph showing a rate of increase in resistance of a buried copper wiring after a high-temperature storage test when a hydrogen plasma treatment is performed to reduce a lower copper wiring.
FIG. 31 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of another embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 32 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of another embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 33 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 32;
FIG. 34 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
1 Copper wiring
2 Interlayer insulating film
3 Via section of upper layer copper wiring (via embedded section)
4 void
5 Interlayer insulating film
6 Wiring
7 Via section
11 Semiconductor substrate
12 Device isolation area
13 p-type well
14 Gate insulating film
15 Gate electrode
15a Silicide film
16 n Semiconductor region
17 Sidewall
18 n + Semiconductor region
18a silicide film
19 n-channel MISFET
20 Insulating film
21 Insulating film
22 Contact hole
23 plug
23a Titanium nitride film
24 Insulating film
25 Insulating film
26 Wiring groove
27 Conductive barrier film
28 Seed film
29 Main conductor film
31 Heat treatment equipment
32 processing room
33 stage (mounting table)
34 Gas inlet
35 Gas outlet
40 Wiring
41 Insulating film
41a Retreat area
42 insulating film
43 insulating film
44 Insulating film
45 Via
46 Wiring groove
47 Conductive barrier film
48 Seed film
49 Main conductor film
50 Wiring
51 Insulating film
52 insulating film
53 insulating film
54 Insulating film
55 wiring
56 Insulating film
61 Metal cap film
62 Metal cap film
71 Metal film

Claims (22)

以下の工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法;
(a)半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程、
(b)前記第1絶縁膜に配線開口部を形成する工程、
(c)前記配線開口部内を埋め込むように、銅を主成分とする第1導体膜を形成する工程、
(d)前記(c)工程後に、400℃以上の温度で第1熱処理を行う工程、
(e)前記(d)工程後に、100〜250℃の範囲内の温度で第2熱処理を行う工程。
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
(A) forming a first insulating film on a semiconductor substrate;
(B) forming a wiring opening in the first insulating film;
(C) forming a first conductive film containing copper as a main component so as to fill the wiring opening;
(D) a step of performing a first heat treatment at a temperature of 400 ° C. or higher after the step (c);
(E) a step of performing a second heat treatment at a temperature in the range of 100 to 250 ° C. after the step (d).
以下の工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法;
(a)半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程、
(b)前記第1絶縁膜に配線開口部を形成する工程、
(c)前記配線開口部内を埋め込むように、銅を主成分とする第1導体膜を形成する工程、
(d)前記(c)工程後に、第1の温度で第1熱処理を行う工程、
(e)前記(d)工程後に、前記第1導体膜の応力を緩和させるように前記第1の温度より低い第2の温度で第2熱処理を行う工程。
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
(A) forming a first insulating film on a semiconductor substrate;
(B) forming a wiring opening in the first insulating film;
(C) forming a first conductive film containing copper as a main component so as to fill the wiring opening;
(D) performing a first heat treatment at a first temperature after the step (c);
(E) a step of, after the step (d), performing a second heat treatment at a second temperature lower than the first temperature so as to relax the stress of the first conductor film.
以下の工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法;
(a)半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程、
(b)前記第1絶縁膜に配線開口部を形成する工程、
(c)前記配線開口部内を埋め込むように、銅を主成分とする第1導体膜を形成する工程、
(d)前記(c)工程後に、前記第1導体膜の結晶粒を成長させるように第1の温度で第1熱処理を行う工程、
(e)前記(d)工程後に、前記第1導体膜の応力を緩和させるように前記第1の温度より低い第2の温度で第2熱処理を行う工程。
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
(A) forming a first insulating film on a semiconductor substrate;
(B) forming a wiring opening in the first insulating film;
(C) forming a first conductive film containing copper as a main component so as to fill the wiring opening;
(D) after the step (c), performing a first heat treatment at a first temperature so as to grow crystal grains of the first conductor film;
(E) a step of, after the step (d), performing a second heat treatment at a second temperature lower than the first temperature so as to relax the stress of the first conductor film.
請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1熱処理によって前記第1導体膜に引っ張り応力が発生することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a tensile stress is generated in the first conductive film by the first heat treatment.
請求項4に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1熱処理によって発生した前記第1導体膜の引っ張り応力が、前記第2熱処理によって緩和されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a tensile stress of the first conductor film generated by the first heat treatment is reduced by the second heat treatment.
請求項2〜5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の温度は400℃以上の温度であり、前記第2の温度は100〜250℃の範囲内の温度であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first temperature is a temperature of 400 ° C. or more, and the second temperature is a temperature in a range of 100 to 250 ° C.
請求項2〜6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の温度は400〜450℃の範囲内の温度であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2,
The method according to claim 1, wherein the first temperature is in a range of 400 to 450C.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(d)工程では、不活性雰囲気または還元性雰囲気中で前記第1熱処理が行われ、
前記(e)工程では、不活性雰囲気または還元性雰囲気中で前記第2熱処理が行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
In the step (d), the first heat treatment is performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere.
In the method (e), the second heat treatment is performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(c)工程後で前記(d)工程の前に、前記配線開口部内に埋め込まれた前記第1導体膜を残すように、それ以外の前記第1導体膜を除去する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
After the step (c) and before the step (d), a step of removing the other first conductive film so as to leave the first conductive film embedded in the wiring opening is provided. A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(d)工程後で前記(e)工程の前に、前記配線開口部内に埋め込まれた前記第1導体膜を残すように、それ以外の前記第1導体膜を除去する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
After the step (d) and before the step (e), there is a step of removing the other first conductive film so as to leave the first conductive film embedded in the wiring opening. A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程後に、前記配線開口部内に埋め込まれた前記第1導体膜を残すように、それ以外の前記第1導体膜を除去する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: after the step (e), removing the other first conductive film so as to leave the first conductive film embedded in the wiring opening.
請求項9〜11のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程後に、前記配線開口部内に残された前記第1導体膜を覆うように、前記第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9,
A step of forming a second insulating film on the first insulating film so as to cover the first conductive film remaining in the wiring opening after the step (e). Production method.
請求項9〜11のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程後に、前記配線開口部内に残された前記第1導体膜上に、銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第3導体膜を選択的に形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9,
After the step (e), a step of selectively forming a third conductive film having a function of suppressing or preventing copper diffusion on the first conductive film left in the wiring opening is provided. Manufacturing method of a semiconductor device.
請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(b)工程後で前記(c)工程前に、前記配線開口部の底面および側壁を含む前記第1絶縁膜上に、銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第2導体膜を形成する工程を有し、
前記(c)工程では、前記第2導体膜上に、前記配線開口部内を埋め込むように、前記第1導体膜が形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
After the step (b) and before the step (c), a second conductive film having a function of suppressing or preventing copper diffusion is formed on the first insulating film including the bottom surface and the side wall of the wiring opening. Having a step of
In the method (c), the first conductive film is formed on the second conductive film so as to fill the wiring opening.
請求項14に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2導体膜はバイアススパッタリング法によって形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 14,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second conductive film is formed by a bias sputtering method.
請求項14に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2導体膜は、バイアススパッタリング法によって形成された第1導電性バリア膜上に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって形成された第2導電性バリア膜が積層された積層膜で構成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 14,
The second conductive film is formed of a laminated film in which a second conductive barrier film formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method is stacked on a first conductive barrier film formed by a bias sputtering method. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項1〜16のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(c)工程後で前記(d)工程前に、前記第1導体膜上に、タングステン、窒化タングステン、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタルまたはルテニウムからなる膜を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
Forming a film made of tungsten, tungsten nitride, titanium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride or ruthenium on the first conductor film after the step (c) and before the step (d). A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項1〜17のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(c)工程では、前記第1導体膜はめっき法によって形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 17,
In the step (c), the first conductive film is formed by a plating method.
請求項1〜18のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(a)工程は、
(a1)前記半導体基板上に銅を主成分とする主導体膜を含む第1配線を形成する工程と、
(a2)前記第1配線上に前記第1絶縁膜を形成する工程と、
を有し、
前記(b)工程は、
(b1)前記第1絶縁膜に前記第1配線の少なくとも一部を露出する前記配線開口部を形成する工程と、
(b2)前記配線開口部から露出した前記第1配線表面に対して、水素を含む雰囲気で、酸素に対する還元処理を行う工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
The step (a) comprises:
(A1) forming a first wiring including a main conductor film containing copper as a main component on the semiconductor substrate;
(A2) forming the first insulating film on the first wiring;
Has,
The step (b) comprises:
(B1) forming the wiring opening exposing at least a part of the first wiring in the first insulating film;
(B2) performing a reduction treatment on oxygen in an atmosphere containing hydrogen on the first wiring surface exposed from the wiring opening;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項1〜9、11〜19のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(d)工程および前記(e)工程は、連続的に行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the steps (d) and (e) are performed continuously.
半導体基板、
前記半導体基板上に形成された第1絶縁膜、
前記第1絶縁膜に形成された第1配線開口部、
前記第1配線開口部の底面および側面上に形成され銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第1導体膜と、前記第1導体膜上に形成され銅を主成分として含む第2導体膜とを有し、前記第1配線開口部に埋め込まれた第1配線、
前記第1絶縁膜および前記第1配線上に形成され、銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第2絶縁膜、
前記第2絶縁膜上に形成された第3絶縁膜、
前記第3絶縁膜に形成され、その底面から前記第1配線の上面の少なくとも一部を露出する第2配線開口部、
前記第2配線開口部の底面および側面上に形成され銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第3導体膜と、前記第3導体膜上に形成され銅を主成分として含む第4導体膜とを有し、前記第2配線開口部に埋め込まれた第2配線、
を具備し、
前記第1導体膜と前記第2導体膜との間の密着力、前記第2導体膜と前記第2絶縁膜との間の密着力、および前記第2導体膜と前記第3導体膜との間の密着力のうち、前記第2導体膜と前記第3導体膜との間の密着力が最小ではないことを特徴とする半導体装置。
Semiconductor substrate,
A first insulating film formed on the semiconductor substrate,
A first wiring opening formed in the first insulating film;
A first conductive film formed on the bottom and side surfaces of the first wiring opening and having a function of suppressing or preventing diffusion of copper, and a second conductive film formed on the first conductive film and containing copper as a main component A first wiring embedded in the first wiring opening,
A second insulating film formed on the first insulating film and the first wiring and having a function of suppressing or preventing copper diffusion;
A third insulating film formed on the second insulating film,
A second wiring opening formed in the third insulating film and exposing at least a part of an upper surface of the first wiring from a bottom surface thereof;
A third conductive film formed on the bottom and side surfaces of the second wiring opening and having a function of suppressing or preventing diffusion of copper, and a fourth conductive film formed on the third conductive film and containing copper as a main component A second wiring embedded in the second wiring opening,
With
The adhesion between the first conductor film and the second conductor film, the adhesion between the second conductor film and the second insulation film, and the adhesion between the second conductor film and the third conductor film. A semiconductor device, wherein the adhesion between the second conductor film and the third conductor film is not the minimum among the adhesion between them.
請求項21に記載の半導体装置において、
前記第2導体膜と前記第3導体膜との間の密着力が、前記第2導体膜と前記第2絶縁膜との間の密着力よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 21,
A semiconductor device, wherein the adhesion between the second conductor film and the third conductor film is larger than the adhesion between the second conductor film and the second insulating film.
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