JP2004165434A - Manufacturing method for semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関するものであって、特に、層間絶縁膜に形成された配線溝やヴィアホールの溝パターンに銅膜を埋め込んで平坦化することにより、配線やビアを形成する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
LSIの性能は設計寸法の縮小により向上し、現在では、90〜100nm世代と言われるデザインルールが量産試作されつつある。設計寸法の縮小化にともない、縮小化に対応できるような材料の変更も行われている。代表的なものとして、ゲート材料についてはポリシリコン(Poly−Si)からメタルポリサイドへ、配線材料についてはアルミニウム(Al)から銅(Cu)へ、層間絶縁膜材料についてはシリコン酸化膜(SiO2)から低誘電率膜への変更が挙げられる。
【0003】
ここで、特に配線材料におけるAlからCuへの変更については、その理由の1つとして、配線のデザインルール縮小化により配線幅が縮小するため、Alの配線抵抗が上昇することが挙げられる。
この配線抵抗の上昇は配線抵抗(R)と配線間容量(C)の積で求められる配線遅延に影響を与え、配線遅延がある規定値を超えると、半導体装置(デバイス)の要求スペックを満足できなくなる。そこで、Alよりも、比抵抗の小さいCuが選択された。
【0004】
また、他の理由としては、Alの配線幅が縮小するため、配線に流れる電流密度が大きくなり、エレクトロマイグレーション(EM)が加速されるだけでなく、配線内の結晶の大きさが配線幅より大きくなるため、結晶が配線に対してバンブー構造を構成し、ストレスマイグレーション(SM)が加速される、といった問題もある。
上述したようなEMおよびSMの耐性は配線材料に依存するところが大きく、AlよりCuのほうが優れている。
【0005】
そして、このような配線材料の変更に伴い、半導体形成プロセスも変更されている。
すなわち、配線材料がAlの世代では、基板上にAlを成膜した後、リソグラフィー技術により配線部となるAl膜上をレジストマスクで覆い、エッチングにより、露出されたAl膜を除去してAl配線を形成していた。
【0006】
しかし、配線材料がCuの世代では、Cuの腐食性が大きいことから、Alのように配線を加工するプロセスは一般的ではなく、ダマシンプロセスと言われる埋め込み配線プロセスが広く採用されている。
【0007】
ここで、一般的なCu配線プロセスを図4〜図5を用いて以下に示す。
まず、図4(a)に示すように、基板11上に低誘電率材料からなる配線間絶縁層12を形成する。
次に、低誘電率材料は後工程で行う化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing(CMP))法に対する耐性が弱いため、配線間絶縁層12上に研磨ストッパーとなる保護層13を形成する。
【0008】
次に、図4(b)に示すように、通常のリソグラフィー処理およびエッチングにより、配線間絶縁層12および保護層13に溝パターン14を形成する。
【0009】
続いて、図4(c)に示すように、スパッタ法等により溝パターン14の内壁を覆うように保護層13上に例えば窒化チタン(TiN)からなるバリアメタル層15を成膜した後、図4(d)に示すように、スパッタ法等により、バリアメタル層15の表面にCuからなるシード層16を形成する。
【0010】
次に、図5(e)に示すように、電解めっき法等により、溝パターン14を埋め込むようにCuからなる配線材料層17をシード層16(前記図4(d)参照)上に形成する。
その後、図5(f)に示すように、CMP法により、バリアメタル層15の表面が露出するまで、配線材料層17(シード層16を含む)を除去した後、研磨条件を変えて、研磨ストッパーである保護層13の表面が露出するまでバリアメタル層15を除去し、溝パターン14内にCu配線を形成する。
【0011】
このような構成の半導体装置としては、低誘電率膜からなる配線間絶縁層12上に、CMPの研磨ストッパーとなる保護層13を用いた同様の例が報告されている(例えば、特許文献1参照)。
【0012】
【特許文献1】
特開2000−100818号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したような半導体装置の製造方法によれば、CMP法により溝パターン14内以外の配線材料層17(シード層16を含む)およびバリアメタル層15を研磨して除去することで、溝パターン14内にCu配線を形成するため、研磨不足の場合には、配線間の保護層13上に配線材料層17またはバリアメタル層15の研磨残りが生じ、配線間が短絡してウエハの歩留りを低下させるといった問題があった。
【0014】
また、配線間に研磨残りが生じないように、配線材料層17およびバリアメタル層15を十分に研磨すると、溝パターン14内の比較的軟質な材料のCuで形成された配線材料層17に、広いパターンで過剰研磨が進むディッシング、密なパターンで過剰研磨が進むエロージョン、被研磨膜が薄くなるシンニングといったような問題が生じ、溝パターン14内に形成される配線が薄くなることから、配線の信頼性が低下するといった問題が生じていた。
【0015】
溝パターン14内の配線が薄くなることにより、多層配線に適用した場合には、段差が生じ、この段差は配線層数を重ねるに従い大きくなる。次の埋め込み配線の形成の際に、このような段差のくぼみ内にCuが残存したままでは配線間の短絡につながるため、段差上のCuを除去するために過剰研磨が必要であった。しかし、過剰研磨は配線部を薄くするだけでなく、層間絶縁膜も薄膜化してしまい、薄膜化された層間絶縁膜の上下層にある配線間の絶縁性の確保が困難であるといった問題も生じていた。
【0016】
特に、配線材料層17として用いるCuは軟質な材料であるのに対し、その下層のバリアメタル層15はTiN等のCuよりも研磨レートが遅く硬質な材料で形成するため、バリアメタル層15を研磨して除去する際に研磨圧力を要することから、配線材料層17が過剰研磨されやすい傾向にあった。
【0017】
したがって、配線間の研磨残りを防ぎ、かつ配線のエロージョン、ディッシング、シンニングを防ぐ半導体装置の製造方法が要望されていた。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題を解決するため、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に層間絶縁膜を形成した後、層間絶縁膜上に犠牲膜を形成する工程と、層間絶縁膜および犠牲膜に溝パターンを形成し、溝パターン内を埋め込むように犠牲膜上に導電性材料膜を形成する工程と、犠牲膜の表面が露出するまで導電性材料膜を研磨して除去する工程と、犠牲膜を選択的に除去することで、層間絶縁膜の表面を露出させるとともに溝パターンから導電性材料膜を突出した状態とする工程と、層間絶縁膜をストッパーとして導電性材料膜の突出した部分を研磨して除去することで平坦化する工程とを有することを特徴としている。
【0019】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、層間絶縁膜および犠牲層に形成された溝パターンに導電性材料膜を埋め込んで、犠牲層の表面が露出するまで導電性材料膜を除去した後、犠牲層を選択的に除去することで、溝パターン上のみに導電性材料膜が残存した状態となり、また、溝パターンの上部側壁を構成する犠牲層が除去されることで、導電性材料膜が溝パターンから突出した状態となる。
このため溝パターンから突出した導電性材料膜を研磨して除去する際には、層間絶縁膜上には導電性材料膜が形成されていないことから、配線間における導電性材料膜の研磨残りを防ぐことができる。
また、溝パターンから突出した状態の導電性材料膜は研磨し易く、研磨の際に要する圧力も少なくて済むため、導電性材料膜の突出部分を研磨により除去しても、溝パターン内の導電性材料膜のディッシングやエロージョン、シンニングを防ぐことができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の半導体装置の製造方法に係わる実施形態の一例を図1〜図3の製造工程断面図を用いて説明する。
【0021】
図1(a)に示すように通常のLSIプロセスにより、基板11(例えばシリコン基板)上に素子形成などを行った後、例えば化学的気相成長(Chemical Vapor Deposition(CVD))法または塗布法により、低誘電率材料からなる配線間絶縁層12を0.1μm〜0.5μmで成膜する。
低誘電率材料としては例えば、酸化シリコン(SiO2)にFを混入したSiOF系膜、SiO2にメチル基を混入したSiOC系膜、SiO2に空孔を導入したポーラスSiO2膜、ポリアリールエーテル系樹脂(例えばダウ・ケミカル社製 製品名Silk)等の有機材料系膜等が好適に用いられる。
【0022】
次に、配線間絶縁層12上に、例えば窒化シリコン(SiN)からなる保護層13を成膜する。
ここで、保護層13は、後述する工程で保護層13上のバリアメタル層をCMP法により除去するための研磨工程、および配線間絶縁層12と保護層13に形成する溝パターンから突出した状態のバリアメタル層および配線材料層をCMP法により除去するための研磨工程において、CMP耐性の低い配線間絶縁層12の研磨ストッパー層として機能する。
したがって、保護層13は上記バリアメタル層、配線材料層と比較してCMP法による研磨レートの遅い材質で形成する。
【0023】
ここでは、保護膜13にSiNを用いることとしたが、本発明はこれに限定されず、例えば、SiO2、炭化シリコン(SiC)、窒化ホウ素(BN)、ダイアモンドライクカーボン、TEOS酸化膜等が好適に用いられる。
上記のような材質の保護層13は、低誘電率材料からなる配線間絶縁層12と比較して、高誘電率となる。
【0024】
したがって、保護層13の膜厚としては、上述したようなCMP法による研磨工程の際に配線間絶縁層12まで研磨されるのを防ぐのに十分な膜厚を有していればよいが、保護層13は配線間絶縁層12よりも高誘電率の材質で形成されることから、配線間容量を抑制するために、具体的には30〜200nmの膜厚で形成することが好ましい。
【0025】
続いて、保護層13上に、本発明に特徴的な犠牲膜21を成膜する。
この犠牲膜21は後工程でこの犠牲膜21を除去する際に、保護層13、後述するバリアメタル層および配線材料層に対して選択的に除去できる材質であればよい。
ここでは、後工程で犠牲膜21をCMP法により除去するため、保護層13、バリアメタル層および配線材料層に対してCMP選択比10以上で除去できる材質であることが好ましい。
【0026】
このような犠牲膜21の材質としては、燐含有酸化シリコン(PSG)、ホウ素含有酸化シリコン(BSG)、燐ホウ素含有酸化シリコン(BPSG)、nano−glass等のポーラス酸化膜、ポリシリコン等が好適に用いられる。
また、この犠牲膜21の膜厚は、後工程で犠牲膜21上に形成するバリアメタル層をCMP法により除去する際に、バリアメタル層とともに除去されないようなCMP耐性を有する膜厚以上であり、かつ積層形成された配線間絶縁層12、保護層13、犠牲膜21に溝パターンを形成する際、加工し易い深さとなるような膜厚以下であることとする。
具体的には、犠牲膜21を100nm〜500nmの膜厚で形成することが好ましい。
【0027】
次に、図1(b)に示すように、レジストパターン(図示せず)をマスクに用いた反応性エッチングにより、配線間絶縁層12、保護層13および犠牲膜21に基板11に達する配線溝となる溝パターン14を形成し、レジストパターンを除去する。
【0028】
次いで、図1(c)に示すように、例えばスパッタリング法等の物理的気相成長(Physical Vapor Deposition(PVD))法により、溝パターン14の内壁を覆うように、犠牲膜21上にバリアメタル層15を形成する。
ここで、バリアメタル層15は後述する工程で溝パターン14内に埋め込むCuからなる配線材料層の拡散を防ぐためのものである。
また、上述した工程で図1(a)を用いて説明したように、バリアメタル層15は保護層13よりもCMP法による研磨レートの速い材質で形成する。具体的にはCMP選択比が10以上であることが好ましい。
【0029】
このようなバリアメタル層15の材質としては、例えば、TiN、窒化チタンシリコン(TiSiN)、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、タングステン(W)、窒化タングステン(WN)等が好適に用いられる。
ここでは、バリアメタル層15をPVD法により形成することとしたが、本発明はこれに限定されず、化学的気相成長(Chemical Vapor Deposition(CVD))法、原子層蒸着(Atomic Layer Deposition(ALD))法により形成してもよい。
【0030】
続いて、図2(d)に示すように、バリアメタル層15の表面に例えばCuからなるシード層16を形成する。シード層16はPVD法、CVD法、ALD法により成膜する。
ここで、シード層16に用いられるCuは酸化物上に成膜するとCuの酸化物を形成し、剥離し易くなるため、バリアメタル層15の成膜後はバリアメタル層15が大気に晒されないように、続けてシード層16を形成する。
【0031】
次に、図2(e)に示すように、電解めっき法またはCVD法により、溝パターン14内を埋め込むように、シード層16上にCuからなる配線材料層17を形成する。
ここで、上述した工程で図1(a)を用いて説明したように、配線材料層17は保護層13よりもCMP法による研磨レートの速い材質で形成する。具体的にはCMP選択比が10以上であることが好ましく、配線材料層17にCuを用いる場合には、CuのCMP選択比が10以上となるように保護層13の材質を選定することが好ましい。
なお、この工程以降の配線材料層17にはシード層16も含まれることとする。
【0032】
その後、図2(f)に示すように、バリアメタル層15の表面が露出されるまで、例えばCMP法により配線材料層17を研磨して除去する(第1段階研磨)。
この場合のCMP条件の一例としては、研磨液にシリカやアルミナ等の砥粒、Cuを酸化させて除去するための過酸化水素水(H2O2)、過酸化マンガン(MnOx)等の酸化剤、研磨特性を良好にするために酸化させたCuを錯化させるCuキレート錯化剤、カルボン酸キレート剤等の錯化剤が混入されたものを用いることとする。
【0033】
また、研磨パッドには処理面側が発泡ポリウレタン樹脂(例えばロデール社製製品名IC1000)で裏面側にパッド(例えばロデール社製 製品名Suba400)が積層された構造のもの(ロデール社製 製品名IC1000/Suba400)を用い、研磨圧力を210〜490g/cm2の範囲で使用する。
この研磨工程では、ディッシングおよびエロージョンが生じ、溝パターン14内の上部において配線材料層17およびバリアメタル層15が削られる。
【0034】
次に、図3(g)に示すように、バリアメタル層15を犠牲膜21の表面が露出するまでCMP法により研磨して除去する(第2段階研磨)。
ここでのCMPの研磨条件は、上述した配線材料層17の研磨と同様の条件で行うこととする。
【0035】
次に、図3(h)に示すように、犠牲膜21(前記図3(g)参照)をその下層の保護層13、溝パターン14内のバリアメタル層15および配線材料層17に対して選択的に除去する。
ここでは、例えばCMP法により犠牲膜21を除去することとする(第3段階研磨)。
ここでのCMP条件の一例としては、研磨液にコロイダルシリカやヒュームドシリカ等のシリカ系の砥粒が混入された、中性からアルカリ性(pH6〜13)のスラリーを用いることとする。
なお、酸化剤および錯化剤は配線材料層17を構成するCuの表面を酸化するため混入しないこととする。
【0036】
また、研磨パッドとしては、ここでの研磨は犠牲膜21のみを除去できればよいことから、平坦性を重視していないため、比較的軟質な研磨パッドを使用することが好ましい。
このような研磨パッドとしては、ポリビニルアルコールおよび不織布等を好適に用いることができる。
さらに、上述したように平坦性を重視していないため、研磨圧力は比較的高めにし、研磨回転数は比較的遅くして行う。
一例として、ターンテーブル式CMP装置であれば、研磨圧力350〜490g/cm2、研磨回転数を20〜50rpmとし、オービタル式CMP装置であれば、50〜490g/cm2、研磨回転数を75〜100rpmで使用する。
【0037】
これにより犠牲膜21を選択的に研磨して除去することで、保護層13の表面が露出されるとともに、犠牲層21で構成された上部側壁が除去された溝パターン14から配線材料層17およびバリアメタル層15の上部が突出した状態となる。
【0038】
なお、ここでは、CMP法により犠牲膜21を除去することとしたが、本発明はこれに限定されず、犠牲膜21を保護層13、バリアメタル層15および配線材料層17に対して選択的に除去可能であれば、ウェットエッチングやドライエッチングを用いてもよい。
ここで、ウェットエッチングにより犠牲膜21を選択的に除去する場合には、例えば犠牲膜21にSiO2を用い、エッチング液に希フッ酸(DHF)またはバッファードフッ酸(BHF)を用いて犠牲膜21を除去する。
【0039】
これにより、例えばSiNからなる保護層13はフッ酸(HF)によるエッチング速度が遅いため、犠牲膜21のエッチング速度のプロセス管理を行うことにより、制御することができる。
また、バリアメタル層15は比較的耐HF性に優れており、Cuからなる配線材料層17表面には不動態層が形成されることから、エッチングが抑制される。
したがって、犠牲膜21を選択的に除去することが可能である。
なお、上記のようにHFを用いたウェットエッチングによりSiO2からなる犠牲膜21を除去する場合には、保護層13をSiO2以外の材質で形成することとする。
【0040】
また、ドライエッチングにより犠牲膜21を選択的に除去する場合には、犠牲膜21に酸化膜を用いることで、通常の酸化膜ドライエッチングを適用できる。この場合、エッチングガスによりCuからなる導電性材料膜14の表面が酸化して腐食される可能性があるが、ドライエッチングの際にエッチングガスに晒される部分は、後述する工程で除去されるため問題ない。
【0041】
上述したようなウェットエッチングまたはドライエッチングによれば、突出した状態の配線材料層17およびバリアメタル層15の形状を維持したまま、犠牲膜21を選択的に除去できるため、より好ましい。
【0042】
次に、図3(i)に示すように、CMP法により溝パターン14から突出した状態の配線材料層17およびバリアメタル層15を保護層13の表面と同等の高さになるまで除去し、平坦化する(第4段階研磨)。
ここでのCMP条件の一例としては、研磨液および研磨パッドに第1段階研磨と同様のものを適用可能である。
さらに、この研磨は第1段階研磨よりもより平坦性が重視されるため、比較的硬質な発泡性ポリウレタン樹脂(例えばロデール社製 製品名IC1000)の単層パッドを適用してもよい。
研磨圧力は140〜280g/cm2、研磨回転数はターンテーブル式で100rpm以上、オービタル式で200rpm以上であることとする。
【0043】
このような半導体装置の製造方法によれば、配線間絶縁層12、保護層13および犠牲層21に形成した溝パターン14の内壁をバリアメタル層15で覆い、溝パターン14内に配線材料層17を埋め込んで、犠牲層21の表面が露出するまで配線材料層17およびバリアメタル層15を除去した後、犠牲層21が選択的に除去される。
これにより、溝パターン14上のみにバリアメタル層15および配線材料層17が残存した状態となり、また、犠牲膜21で構成された溝パターン14の上部側壁が除去されるため、バリアメタル層15および配線材料層17が溝パターン14から突出した状態となる。
【0044】
このため溝パターン14から突出したバリアメタル層15および配線材料層17を研磨して除去する際には、保護層13上にはバリアメタル層15および配線材料層17が形成されていないことから、配線間における研磨残りを防ぎ、配線間の短絡を防ぐことができるため、歩留りを向上させることができる。
【0045】
また、溝パターン14から突出した状態のバリアメタル層15および配線材料層17は研磨し易く、研磨の際に要する圧力も少なくて済むため、突出した部分を研磨により除去しても、溝パターン14内の配線材料層17のディッシングやエロージョン、シンニングを防いで、溝パターン14内の配線が薄くなることを抑制することができ、平坦化も容易である。
これにより、配線が薄くなることによる配線の信頼性の低下を防ぐだけでなく、溝パターン14内に形成される配線の高さを設計通りに形成することができるため、EM耐性およびSM耐性等の配線の信頼性を確実に得ることができる。
【0046】
さらに、配線の高さを設計通りに形成することができることから、多層配線に適用した場合でも、従来のように、段差が生じることがないため、溝パターン14形成の際のリソグラフィーを確実に行うことができる。
また、段差が生じないことから、段差上の配線材料を除去するために過剰研磨しなくてもよい。したがって、層間絶縁膜が過剰研磨されないため、実効誘電率を低減するために、配線間絶縁層12および保護層13からなる層間絶縁膜を薄膜化することもできる。
したがって、高精度な半導体装置を得ることが可能である。
【0047】
なお、本実施形態では、配線間絶縁層12にCMP耐性の弱い低誘電率材料を用いたため、配線間絶縁層12上に保護層13を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば配線間絶縁層12に比較的CMP耐性の強い材質の膜を用いた場合には保護層13を形成しなくてもよい。
【0048】
この場合には、配線間絶縁層12上に犠牲膜21を形成し、配線間絶縁層12および犠牲膜21に溝パターン14を形成する。
また、溝パターン14から突出した状態の配線材料層17およびバリアメタル層15を除去する際に配線間絶縁層12がストッパーとなるため、配線間絶縁層12に対する配線材料層17およびバリアメタル層15のCMP選択比が高くなるように、好ましくは選択比10以上となるような材質を用いて、配線間絶縁層12を形成することとする。
さらに、犠牲膜21には、配線間絶縁層12、およびバリアメタル層15、配線材料層17に対して選択的に除去可能な材質のものを用いることとする。
【0049】
また、本実施形態ではバリアメタル層15を形成する例について説明したが、配線材料層17が配線間絶縁層12中に拡散しないような材質である場合には、バリアメタル層15を形成しなくてもよい。
この場合には第2段階研磨を行わず、第1段階研磨では、保護層13が露出するまで、配線材料層17を除去する。
【0050】
なお上述した実施形態では、埋め込み配線プロセスにおける、いわゆるシングルダマシンプロセスについて説明したが、配線溝の底部にヴィアホールが形成された構成のデュアルダマシンプロセスにも適用可能である。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、溝パターンから突出した導電性材料膜を研磨して除去する際には、層間絶縁膜上には導電性材料膜が残存していないことから、配線間における研磨残りを防ぎ、配線間の短絡を防ぐことができるため、歩留りを向上させることができる。
【0052】
また、溝パターンから突出した状態の導電性材料膜は研磨し易く、研磨の際に要する圧力も少なくて済むため、導電性材料膜の突出部分を研磨により除去しても、溝パターン内の導電性材料膜のディッシングやエロージョン、シンニングを防いで、溝パターン内の配線が薄くなることを抑制することができ、平坦化も容易である。
これにより、配線が薄くなることによる配線の信頼性の低下を防ぐだけでなく、溝パターン内に形成される配線の高さを設計通りに形成することができるため、配線の信頼性を確実に得ることができる。
【0053】
さらに、配線の高さを設計通りに形成することができることから、高精度な半導体装置を得ることが可能であり、特に多層配線に適用した場合に顕著な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態の一例を示す製造工程断面図(その1)である。
【図2】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態の一例を示す製造工程断面図(その2)である。
【図3】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態の一例を示す製造工程断面図(その3)である。
【図4】従来の技術における半導体装置の製造方法を示す製造工程断面図である(その1)。
【図5】従来の技術における半導体装置の製造方法を示す製造工程断面図である(その2)。
【符号の説明】
11…基板、12…配線間絶縁層、13…保護層、14…溝パターン、15…バリアメタル層、17…配線材料層、21…犠牲膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and particularly to forming wirings and vias by burying a copper film in a wiring groove pattern or a via hole groove pattern formed in an interlayer insulating film and flattening the copper film. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
The performance of LSIs has been improved by reducing the design dimensions, and at present, design rules called the 90 to 100 nm generation are being mass-produced. As the design dimensions have been reduced, materials have been changed to accommodate the reduction. Representatively, a gate material is changed from polysilicon (Poly-Si) to metal polycide, a wiring material is changed from aluminum (Al) to copper (Cu), and a silicon oxide film (SiO 2 ) is used as an interlayer insulating film material. ) To a low dielectric constant film.
[0003]
Here, one of the reasons for the change of the wiring material from Al to Cu in particular is that the wiring width is reduced due to the reduction of the wiring design rule, and the wiring resistance of Al is increased.
This increase in the wiring resistance affects the wiring delay obtained by the product of the wiring resistance (R) and the capacitance between wirings (C), and when the wiring delay exceeds a specified value, the required specifications of the semiconductor device are satisfied. become unable. Therefore, Cu having a lower specific resistance than Al was selected.
[0004]
Another reason is that the wiring width of Al is reduced, the current density flowing in the wiring is increased, and not only the electromigration (EM) is accelerated, but also the size of the crystal in the wiring is larger than the wiring width. Since the crystal becomes large, there is a problem that the crystal forms a bamboo structure with respect to the wiring and stress migration (SM) is accelerated.
The resistance of EM and SM as described above largely depends on the wiring material, and Cu is superior to Al.
[0005]
With the change of the wiring material, the semiconductor forming process is also changed.
That is, in the case of the generation of Al as the wiring material, after the Al film is formed on the substrate, the Al film serving as the wiring portion is covered with a resist mask by lithography technology, and the exposed Al film is removed by etching to form the Al wiring. Had formed.
[0006]
However, in the generation of Cu as the wiring material, the process of processing the wiring like Al is not common because the corrosiveness of Cu is large, and a buried wiring process called a damascene process is widely used.
[0007]
Here, a general Cu wiring process will be described below with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 4A, an inter-wiring insulating
Next, since the low dielectric constant material has low resistance to a chemical mechanical polishing (CMP) method performed in a later step, a
[0008]
Next, as shown in FIG. 4B, a
[0009]
Subsequently, as shown in FIG. 4C, a
[0010]
Next, as shown in FIG. 5E, a
Thereafter, as shown in FIG. 5F, the wiring material layer 17 (including the seed layer 16) is removed by a CMP method until the surface of the
[0011]
As a semiconductor device having such a configuration, there has been reported a similar example in which a
[0012]
[Patent Document 1]
JP 2000-100818 A
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the above-described method of manufacturing a semiconductor device, the wiring material layer 17 (including the seed layer 16) and the
[0014]
Further, when the
[0015]
When the wiring in the
[0016]
In particular, Cu used as the
[0017]
Therefore, there has been a demand for a method of manufacturing a semiconductor device that prevents polishing residue between wires and prevents erosion, dishing, and thinning of wires.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an interlayer insulating film on a substrate, and then forming a sacrificial film on the interlayer insulating film; Forming a groove pattern on the sacrificial film so as to fill the groove pattern, polishing and removing the conductive material film until the surface of the sacrificial film is exposed, The step of exposing the surface of the interlayer insulating film and projecting the conductive material film from the groove pattern by selectively removing the film, and the step of projecting the conductive material film using the interlayer insulating film as a stopper. Polishing and removing to planarize.
[0019]
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the conductive material film is embedded in the groove pattern formed in the interlayer insulating film and the sacrificial layer, and after removing the conductive material film until the surface of the sacrificial layer is exposed, By selectively removing the sacrificial layer, the conductive material film remains only on the groove pattern, and by removing the sacrificial layer forming the upper sidewall of the groove pattern, the conductive material film is removed. It will be in the state protruding from the groove pattern.
For this reason, when polishing and removing the conductive material film protruding from the groove pattern, since the conductive material film is not formed on the interlayer insulating film, the polishing residue of the conductive material film between the wirings is removed. Can be prevented.
In addition, the conductive material film protruding from the groove pattern is easy to polish and requires less pressure during polishing. Therefore, even if the protruding portion of the conductive material film is removed by polishing, the conductive material in the groove pattern is removed. Dishing, erosion, and thinning of the conductive material film can be prevented.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
An example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to manufacturing process sectional views of FIGS.
[0021]
As shown in FIG. 1A, after a device is formed on a substrate 11 (for example, a silicon substrate) by a normal LSI process, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method or a coating method is used. Thereby, the inter-wiring insulating
The low dielectric constant material, e.g., SiOF-based film obtained by mixing F to silicon oxide (SiO 2), SiOC-based film obtained by mixing methyl group SiO 2, porous SiO 2 film obtained by introducing pores into SiO 2, polyaryl An organic material-based film or the like such as an ether-based resin (for example, product name: Silk manufactured by Dow Chemical Company) is preferably used.
[0022]
Next, a
Here, the
Therefore, the
[0023]
Here, SiN is used for the
The
[0024]
Therefore, the
[0025]
Subsequently, a
The
Here, since the
[0026]
As a material of such a
Further, the thickness of the
Specifically, it is preferable to form the
[0027]
Next, as shown in FIG. 1B, a wiring groove reaching the
[0028]
Next, as shown in FIG. 1C, a barrier metal is formed on the
Here, the
Further, as described with reference to FIG. 1A in the above-described process, the
[0029]
As a material of such a
Here, the
[0030]
Subsequently, as shown in FIG. 2D, a
Here, when the Cu used for the
[0031]
Next, as shown in FIG. 2E, a
Here, as described with reference to FIG. 1A in the above process, the
Note that the
[0032]
Thereafter, as shown in FIG. 2F, the
Examples of the CMP conditions in this case include abrasive grains such as silica and alumina in the polishing liquid, hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 ) for oxidizing and removing Cu, and manganese peroxide (MnO x ). An oxidizing agent, a complexing agent such as a Cu chelating complexing agent for complexing Cu oxidized to improve polishing characteristics, and a complexing agent such as a carboxylic acid chelating agent are used.
[0033]
The polishing pad has a structure in which a processing surface side is a foamed polyurethane resin (for example, product name IC1000 manufactured by Rodale) and a pad (for example, Suba400 manufactured by Rodale) is laminated on the back side (product name IC1000 / made by Rodale). Suba400) and a polishing pressure in the range of 210 to 490 g / cm 2 .
In this polishing step, dishing and erosion occur, and the
[0034]
Next, as shown in FIG. 3G, the
Here, the polishing conditions for the CMP are the same as those for polishing the
[0035]
Next, as shown in FIG. 3H, the sacrificial film 21 (see FIG. 3G) is applied to the underlying
Here, the
As an example of the CMP conditions here, a neutral to alkaline (pH 6 to 13) slurry in which a silica-based abrasive such as colloidal silica or fumed silica is mixed in a polishing liquid is used.
Note that the oxidizing agent and the complexing agent are not mixed because they oxidize the surface of Cu constituting the
[0036]
Further, as the polishing pad, it is only necessary to remove only the
As such a polishing pad, polyvinyl alcohol, a nonwoven fabric, or the like can be suitably used.
Further, since the flatness is not emphasized as described above, the polishing pressure is set relatively high and the polishing speed is set relatively low.
As an example, in the case of a turntable type CMP apparatus, the polishing pressure is 350 to 490 g / cm 2 , and the polishing speed is 20 to 50 rpm. In the case of the orbital type CMP apparatus, the polishing speed is 50 to 490 g / cm 2 and the polishing speed is 75. Use at ~ 100 rpm.
[0037]
By selectively polishing and removing the
[0038]
Here, the
Here, when the
[0039]
Thus, since the etching rate of the
Further, the
Therefore, the
When the
[0040]
When the
[0041]
The above-described wet etching or dry etching is more preferable because the
[0042]
Next, as shown in FIG. 3 (i), the
As an example of the CMP conditions here, the same polishing liquid and polishing pad as those in the first-stage polishing can be applied.
Further, in this polishing, since flatness is more important than the first-stage polishing, a single-layer pad of a relatively hard foaming polyurethane resin (for example, product name IC1000 manufactured by Rodale) may be applied.
The polishing pressure is 140 to 280 g / cm 2 , and the polishing rotation speed is 100 rpm or more in a turntable type and 200 rpm or more in an orbital type.
[0043]
According to such a method of manufacturing a semiconductor device, the inner wall of the
As a result, the
[0044]
Therefore, when the
[0045]
Further, since the
This not only prevents a decrease in the reliability of the wiring due to the thinning of the wiring, but also allows the height of the wiring formed in the
[0046]
Further, since the wiring height can be formed as designed, even when the present invention is applied to a multilayer wiring, there is no step unlike the conventional case, so that the lithography at the time of forming the
Further, since there is no step, it is not necessary to perform excessive polishing to remove the wiring material on the step. Therefore, since the interlayer insulating film is not excessively polished, the interlayer insulating film including the
Therefore, a highly accurate semiconductor device can be obtained.
[0047]
In the present embodiment, an example is described in which the
[0048]
In this case, the
Further, when removing the
Further, the
[0049]
In the present embodiment, the example in which the
In this case, the second-stage polishing is not performed, and in the first-stage polishing, the
[0050]
In the above-described embodiment, the so-called single damascene process in the embedded wiring process has been described. However, the present invention is also applicable to a dual damascene process in which a via hole is formed at the bottom of a wiring groove.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, when the conductive material film protruding from the groove pattern is removed by polishing, the conductive material film remains on the interlayer insulating film. Since no polishing remains between the wirings, a short circuit between the wirings can be prevented, so that the yield can be improved.
[0052]
In addition, the conductive material film protruding from the groove pattern is easy to polish and requires less pressure during polishing. Therefore, even if the protruding portion of the conductive material film is removed by polishing, the conductive material in the groove pattern is removed. By preventing dishing, erosion, and thinning of the conductive material film, it is possible to suppress the wiring in the groove pattern from being thinned, and it is easy to flatten the wiring.
This not only prevents a decrease in the reliability of the wiring due to the thinning of the wiring, but also allows the height of the wiring formed in the groove pattern to be formed as designed, thereby ensuring the reliability of the wiring. Obtainable.
[0053]
Further, since the height of the wiring can be formed as designed, a highly accurate semiconductor device can be obtained, and a remarkable effect can be obtained particularly when applied to a multilayer wiring.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view (part 1) of a manufacturing process showing an example of an embodiment according to a method of manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view (part 2) illustrating an example of an embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention;
FIG. 3 is a sectional view (No. 3) illustrating an example of an embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention;
FIG. 4 is a cross-sectional view of a manufacturing step showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a conventional technique (part 1).
FIG. 5 is a cross-sectional view of a manufacturing step showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a conventional technique (part 2).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記層間絶縁膜および前記犠牲膜に溝パターンを形成し、当該溝パターン内を埋め込むように前記犠牲膜上に導電性材料膜を形成する工程と、
前記犠牲膜の表面が露出するまで前記導電性材料膜を研磨して除去する工程と、
前記犠牲膜を選択的に除去することで、前記層間絶縁膜の表面を露出させるとともに前記溝パターンから前記導電性材料膜を突出した状態とする工程と、
前記層間絶縁膜をストッパーとして前記導電性材料膜の突出した部分を研磨して除去することで平坦化する工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。After forming an interlayer insulating film on the substrate, forming a sacrificial film on the interlayer insulating film,
Forming a groove pattern in the interlayer insulating film and the sacrificial film, forming a conductive material film on the sacrificial film so as to fill the groove pattern;
Polishing and removing the conductive material film until the surface of the sacrificial film is exposed,
A step of selectively removing the sacrificial film to expose the surface of the interlayer insulating film and to project the conductive material film from the groove pattern;
Polishing the protruding portion of the conductive material film by using the interlayer insulating film as a stopper to remove the protruding portion, thereby planarizing the conductive material film.
前記保護層は前記導電性材料膜よりも研磨レートの遅い材質で形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。The interlayer insulating film includes an inter-wiring insulating layer and a protective layer on the inter-wiring insulating layer,
2. The method according to claim 1, wherein the protective layer is formed of a material having a lower polishing rate than the conductive material film.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。2. The conductive material film includes a barrier metal layer formed on the sacrificial film so as to cover an inner wall of the groove pattern, and a wiring material layer on the barrier metal layer. Manufacturing method of a semiconductor device.
ことを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。4. The method according to claim 3, wherein the polishing rate of the barrier metal layer is lower than that of the wiring material layer.
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