JP2004193422A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスとその製造方法に関し、詳しくは、金属配線間を電気的に接合するコンタクトビアを有する半導体デバイスとその形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスの多層配線構造は、絶縁膜に覆われた複数の金属配線層を含み、各配線間を導通させるために、コンタクトホールが形成され、その側壁に金属拡散を防止するバリア膜に囲われた金属からなるコンタクトビアを有する。
【0003】
近年半導体デバイスの多層配線層を形成する工程にてダマシン法が多用される。この手法は、絶縁膜を挟む二つの金属配線を電気的に接合させるために、下層配線を形成した後、コンタクトホール形成層と上層配線絶縁用の絶縁膜とを堆積して、パターニング工程とエッチング工程を繰り返すことで、コンタクトホールと上層配線溝とを形成し、前記コンタクトホールと上層配線溝へ金属をメッキ法により埋め込み、その金属を配線溝に残すまで化学的機械研磨(CMP法)することで上層配線とコンタクトビアが形成される手法である。また、配線構造を形成する手法のひとつとして、金属配線材料がストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションによって配線の断線を生じさせる現象を利用したものもある。(例えば特許文献1)
【0004】
【特許文献1】特開平5−7506号公報(第3−7頁、第1図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記ダマシン法は低抵抗配線材料として代表される銅のエッチング加工が困難であるため、メッキ法にて下層配線と上層配線間を接続するコンタクトビアを形成させるため、絶縁膜をパターニングしたコンタクトホール内へメッキ液を満たし、下層配線と密着するように銅を析出させることが要求される。しかし、コンタクトホールの穴径が微細化するとメッキ液の表面張力がメッキ液の侵入を阻害し、銅を均一に析出させることが困難となる。
【0006】
本発明は、微細化するコンタクトホールへメッキ液を作用させずに形成したコンタクトビアを有する半導体デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
図1に本発明の原理説明図を示す。図は半導体デバイスの製造工程における断面図の一部を模式的に示したものである。詳しくは、シリコン基板1上にシリコン酸化膜8が形成され、シリコン窒化膜9を介して銅埋め込み配線層17が窒化タンタル膜14を介した溝に形成されている。さらにSiN,SiC,SiC:Hのいずれかからなる密度の高い絶縁膜18がシリコン膜窒化13とシリコン窒化19とにはさまれて、尚且つSiO2,SiOC,SiOF,SiON,SiCON,SiCN,有機系絶縁材料のうちいずれかからなる配線接続部27が銅埋め込み配線層17、25と接するように形成されている。尚、銅埋め込み配線層25、26も窒化タンタル膜22を介して溝の内側に形成されている。埋め込み配線層17、25,26は、化学的機械研磨によって平坦化され、低誘電率絶縁膜12、20によって側面が絶縁されている。
【0008】
この状態にて基板をおよそ400℃で数分間加熱すると、銅埋め込み配線にストレスマイグレーションを生じ、配線接続部27へ銅が拡散してゆくことにより、上下の配線間が電気的に接合される。この現象は配線幅が1μm以下になると、配線がストレスの変化の影響を受けやすくなるため、再現よく生じさせることができる。または、上層の配線を化学的機械研磨する前に数100mVの電圧を数分間基板の表面と裏面に印加するとエレクトロマイグレーションを生じ、低密度な絶縁体からなる配線接続部27へと銅が拡散し、上下の配線間が電気的に接合される。
【0009】
前記配線接続部がSiO2,SiOC,SiOF,SiON,SiCON,SiCN,有機系絶縁材料のいずれかでであることによって前記導電層を構成する金属材料を拡散させるに好適な配線接続部を提供できる。前記有機絶縁材料がポリシロキサン系ポーラスシリカであることによってポーラス構造へ配線金属の拡散を容易に行うことができる。また、前記金属材料がAl,Al合金,Cu,Cu合金,W,W合金,Fe,Fe合金のいずれかであることによって前記拡散用プラグへ選択的に配線材料を拡散させることができる。配線材料の拡散方向が、主表面に対して垂直方向であることによって前記導電層の金属材料が成膜されたときの結晶方向と同一方向へ金属原子が拡散し、配線接続部と配線層との密着性が向上する。
【0010】
前記配線接続部の周囲に形成された絶縁膜がSiN,SiC,SiC:Hのいずれかであることによって金属材料が拡散した配線接続部を絶縁し、配線材料の拡散を防止するに好適な配線構造を提供できる。さらに配線接続部は、一般的な層間絶縁膜材料と化学的あるいは、機械的特性が類似しているため互いに反応せず局所的なストレスを生じることなく基板の平坦性を維持しながらデバイスを形成できる。さらにバリアメタルを用いずにコンタクトビアを形成できるためコンタクトビア径の接触面積を大きくでき、コンタクト抵抗を下げることができる。これによりコンタクトビアを微細化すると、コンタクトビア間の絶縁抵抗は高まり、配線遅延を低減した半導体デバイスを提供できる。
【0011】
【発明の実施の形態】
[実施例1]
以下本発明の一実施形態に沿った半導体デバイスの製造工程途中の断面図である図2〜9を順次引用しながら本発明を説明する。
図2(a)参照
まず、p型シリコン基板1に選択酸化法を用いて素子分離酸化膜2を形成したのち、ゲート絶縁膜3、ゲート電極4、及び、保護膜6からなるゲート構造体を形成し、さらに、シリコン窒化膜をゲート電極積層構造全面に覆うように形成した状態からドライエッチングを使ってエッチバック工程を経たのちに残ったサイドウォール5をマスクとしてAsイオンを注入することによってn型ソース・ドレイン領域7を形成し、図2(a)の構造となる。
図2(b)参照
次いで、全面に、CVD法によって層間絶縁膜としてシリコン酸化膜8(厚さ1μm)とスパッタ法によって後のCMP(化学機械研磨)工程において研磨ストッパーとなるシリコン窒化膜9(厚さ100nm)とを順次堆積させて、図2(b)の構造となる。
図3(c)参照
次いで、n型ソース・ドレイン領域7に達するビアホールを形成するため、ホトリソグラフィで形成したレジスト(図示せず)をエッチングマスクとして、シリコン窒化膜9をパターニングし、次いで前記レジストを除去して開口したシリコン窒化膜9をエッチングマスクとして、シリコン酸化膜8をCF4とCHF3などの混合ガスプラズマによって反応性イオンエッチングを行い、図3(c)の構造となる。
図3(d)参照
その後、拡散防止膜(窒化タンタル膜)10とタングステンビア11を形成するため、スパッタ法を用いて窒化タンタル(厚さ50nm)とホールを埋め込むように厚くタングステン(以下Wと記す)とを堆積させたのち(図示せず)、CMP法によってシリコン窒化膜9が露出するまで研磨を行い、図3(d)の構造となる。
図4(e)参照
次いで、層間絶縁膜として低誘電率絶縁膜12を形成するため、例えば有機SOG膜を回転塗布(厚さが450nm)後焼成し、次いでシリコン窒化膜13(厚さ100nm)を堆積させて図4(e)となる。
図4(f)参照
次いで、ホトリソグラフィで形成したレジスト(図示せず)をエッチングマスクとして、CF4 とCHF3などの混合ガスプラズマによって反応性イオンエッチングを行うことにより、シリコン窒化膜13をパターニングした後、次いで前記レジストを除去して開口した前記シリコン窒化膜13をマスクとして必要に応じてC4F8などの炭素源を添加したArとO2 との混合ガスプラズマを用いた反応性イオンエッチングを行うことによって低誘電率絶縁膜12をエッチングし、タングステンビア11に達する配線層用溝を形成し、図4(f)となる。
図5(g)参照
次いで、スパッタ法を用いて、拡散防止膜とメッキ析出核として、窒化タンタル膜14、銅シード層15を順次全面に堆積する(厚さ各々50nm,50nm)。次いでメッキ法を用いて銅メッキ層16(厚さ600nm)を成膜して配線層形成用溝を埋め込み、図5(g)の構造となる。
【0012】
次いで、銅メッキ層16、銅シード層15、及び、窒化タンタル膜14をCMP法にてシリコン窒化膜13が露出するまで研磨する。
図5(h)参照
銅メッキ層16と銅シード層15とが一体になった銅埋め込み配線層17を形成し、図5(h)となる。
図6(i)参照
次いで配線接続部の材料としてSOG材料であるポーラスシリカ膜29を塗布(厚さ400nm)後焼成(360〜380℃)し、図6(i)となる。
図6(j)参照
次いでホトリソグラフィで形成したレジスト(図示せず)をエッチングマスクとして、CF4 とCHF3などの混合ガスプラズマによって反応性イオンエッチングを行うことにより、銅埋め込み配線層17上に配線接続部27をパターニングし、図6(j)となる。
図7(k)参照
次いで全面にプラズマCVD法(成膜温度360〜380℃)によってプラズマCVDシリコン窒化膜30(厚さ600nm)を成膜する。
図7(l)参照
次いでエッチバック法などによりプラズマCVDシリコン窒化膜30を配線接続部27の表面が露出するまで平坦化して図7(l)となる。
図8(m)参照
次いで、低誘電率絶縁膜20としてポーラスシリカを回転塗布(厚さ400nm)後焼成(360〜380℃)し、図8(m)の構造となる。
図8(n)参照
次いで、ホトリソグラフィで形成したレジスト(図示せず)をエッチングマスクとして、CF4 とCHF3などの混合ガスプラズマによって反応性イオンエッチングを行うことにより、配線層用溝が形成され、図8(n)の構造となる。
図9(o)参照
次いで、スパッタ法を用いて、全面に、窒化タンタル膜22と銅シード層23とを順次堆積(各々50nm,50nm)させる。銅シード層23を成長核として銅メッキ層24(厚さ600nm)を成膜して配線層形成用溝を埋め込み、図9(o)の構造とする。
【0013】
次いで、銅メッキ層24、銅シード層23、及び、窒化タンタル膜22をCMP法にてシリコン窒化膜21を露出させるまで研磨する。
図9(p)参照
以上により銅メッキ層と銅シード層とが一体になった銅埋め込み配線層25,26が形成され、図9(p)の構造とする。
【0014】
次いで基板を400℃で5分間加熱し、配線構造体にストレスマイグレーションを生じさせ、銅埋め込み配線層17から配線接続部27へ銅原子を拡散させ、銅埋め込み配線層17と銅埋め込み配線層25との間が電気的に接合される。
【0015】
このように、配線接続部を含む絶縁膜の形成工程、配線層用溝形成工程、銅埋込配線層の形成工程、配線接続部へ銅の拡散工程を必要回数だけ繰り返すことによって半導体デバイスの多層配線構造が形成される。
【0016】
尚、配線接続部27へ銅配線層17より銅原子を拡散させる方法としてエレクトロマイグレーションを用いることができる。
【0017】
実施例と同様な工程において配線接続部27へ銅配線層より銅原子を拡散させるためには、例えば図9(o)の構造にて基板の両面より数100mVのバイアス電圧を3分間印加することでエレクトロマイグレーションが起こる。これによって配線接続部27へ銅原子が拡散し、銅埋込配線層17と銅メッキ層24との間が電気的に接合される。
【0018】
上記実施例において、配線接続部27の周囲のプラズマCVDシリコン窒化膜30の他にSiC、SiC:Hからいずれかの密度の高い材料を用いることによっていずれの場合も配線金属拡散防止膜の形成を必要とせずともコンタクトビアを形成できる。このときコンタクトビアと配線との接触面積が増加するため、コンタクト抵抗を12%以上下げることができる。尚これら材料を成膜する方法は、配線材料がストレスマイグレーションを生じさせない温度範囲(例えば360℃乃至380℃)にて形成できる低温プラズマCVD法を用いることができる。
【0019】
配線接続部27(密度の低い絶縁体)としては、プラズマCVD法によって形成できるSiO2,SiOC,SiOF,SiON,SiCON,SiCNや塗布法によって形成できる有機系絶縁膜があげられる。但し、本願発明は上記材料に限定されるものではなく、配線金属の拡散性に差を有する絶縁膜を二種以上用いることで拡散性の大きい即ち密度の低い絶縁体(配線接続部)中へ配線金属を選択的に拡散でき、コンタクトビアを成す。
【0020】
従って従来配線ビア内に拡散防止膜を密着させるために要していた洗浄を不要とし、洗浄薬液がコンタクトホールの内壁を浸食することが防止される。
【0021】
そして、このようなコンタクトビア部の下層配線表面は、コンタクトホールエッチングやそれに伴う洗浄の工程を経ないため表面が酸化されることなく配線抵抗上昇も生じない。
【0022】
また、配線間の接合を目的としない密度の低い絶縁体を金属配線の要所要所へ配置することによって、配線劣化(高抵抗化)の際に生じる異常温度上昇および配線ショートによる過剰電流発生に対して、前記密度の低い絶縁体へ金属を拡散させたため一時的なストレスマイグレーションを回避できる半導体デバイスも提供できる。
【0023】
配線材料としては、銅以外に銅合金、アルミ、アルミ合金、タングステン、タングステン合金、鉄、鉄合金が使用でき、配線接続部に選んだ材料の形成温度以上でストレスマイグレーションが生じるあるいは、電界の印加によるエレクトロマイグレーションが生じる配線材料が選ばれる。
[実施例2]
以下本発明の他の実施形態に沿った半導体デバイスの製造工程途中の断面図である図10〜13を順次引用しながら本発明を説明する。
図10(a)に至るまでの工程は、実施例1における図2(a)から図5(h)の工程を順次経た後に得られるため説明を省略する。
図10(a)参照
配線接続部の材料としてSOG材料であるポーラスシリカ(図示せず)を塗布(膜厚400nm)後焼成(360〜380℃)し、ホトリソグラフィで形成したレジスト(図示せず)をエッチングマスクとして、CF4 とCHF3などの混合ガスプラズマによって反応性イオンエッチングを行うことにより、銅埋め込み配線層17上に配線接続部27をパターニングし、図10(a)となる。
図10(b)参照
次いで配線接続部27を覆うようにスパッタ法を用いて拡散防止膜となる窒化タンタル膜28(厚さ50nm)を成膜する。
図11(c)参照
次いで全面に誘電率が低いSOG材料であるポーラスシリカ膜29を回転塗布(厚さ600nm)後焼成(360〜380℃)する。
図11(d)参照
次いでエッチバック法などにより配線接続部27の表面が露出するまで平坦化を行い、図11(d)となる。
図12(e)参照
次いで、低誘電率絶縁膜20としてポーラスシリカを回転塗布(400nm)後焼成(360〜380℃)し、次いでスパッタ法でシリコン窒化膜21を成膜(100nm)し、図12(e)の構造とする。
図12(f)参照
次いで、ホトリソグラフィで形成したレジスト(図示せず)をエッチングマスクとして、CF4 とCHF3などの混合ガスプラズマによって反応性イオンエッチングを行うことにより、シリコン窒化膜21をパターニングした後、レジストマスクを除去し、シリコン窒化膜21をマスクとして、必要に応じてC4F8などの炭素源を添加したArとO2 との混合ガスプラズマを用いた反応性イオンエッチングを行うことによって低誘電率絶縁膜20をエッチングし、配線層用溝が形成された図12(f)の構造となる。
図13(g)参照
次いで、スパッタ法を用いて、全面に、窒化タンタル膜22と銅シード層23を順次堆積(各々50nm、50nm)させ、次いで、メッキ法によって溝を埋め込むように銅メッキ層24(600nm)を成膜し、図13(g)の構造となる。
次いで、銅メッキ層24、銅シード層23、及び、窒化タンタル膜22をCMP法にて研磨する。
図13(h)参照
CMP法にてシリコン窒化膜21が露出するまで研磨されて、銅埋め込み配線層25,26が形成され、図13(h)の構造となる。
【0024】
次いで基板を400℃で5分間加熱し、配線構造体にストレスマイグレーションを生じさせ、銅埋め込み配線層17から配線接続部27へ銅原子が拡散し、銅埋め込み配線層17と銅埋め込み配線層25との間が電気的に接合される。
【0025】
上記実施例において、接続部27の側壁を覆うように窒化タンタル膜28を形成したが、これによって前記配線接続部27の周囲の密度の低い絶縁体29としてポーラスシリカ膜のような低誘電体を用いることができるため、配線の遅延時間を低減できる。また、配線材料を拡散させるための熱又は電界の作用にばらつきが生じても窒化タンタル膜28が拡散ストッパーとなるため余分な拡散を生じさせることがない。
【0026】
以下、本発明の諸形態を付記としてまとめて記載する。
【0027】
(付記1) 第一の導電層と、
前記第一の導電層を構成する金属材料が絶縁体中に拡散して導電性をなす配線接続部とを有し、
前記第一の導電層と前記絶縁体との間が電気的に導通するよう構成された半導体デバイス。(1)
(付記2) 前記配線接続部が第二の導電層と接してなるよう構成された付記1に記載の半導体デバイス。
【0028】
(付記3) 前記配線接続部を構成する絶縁体が、前記配線接続部の周囲に配した絶縁膜より低密度であることを特徴とする付記1又は2に記載の半導体デバイス。
(付記4) 前記配線接続部がシリコン酸化膜(SiO2),炭化シリコン酸化膜(SiOC),フッ化シリコン酸化膜(SiOF),窒化シリコン酸化膜(SiON),炭化窒化シリコン酸化膜(SiCON),炭化シリコン窒化膜(SiCN),有機系絶縁材料のうちいずれかからなることを特徴とする付記1乃至3のいずれかに記載の半導体デバイス。(2)
(付記5) 前記有機系絶縁材料がポリシロキサン系ポーラスシリカであることを特徴とする付記4に記載の半導体デバイス。
(付記6) 前記配線接続部の周囲に形成された絶縁体がシリコン窒化膜(SiN),シリコンカーバイド(SiC),水素化シリコンカーバイド(SiC:H)のうちいずれかからなることを特徴とする付記1乃至3のいずれかに記載の半導体デバイス。(3)
(付記7) 前記金属材料がAl,Al合金,Cu,Cu合金,W,W合金,Fe,Fe合金のいずれかであることを特徴とする付記1又は2に記載の半導体デバイス。
【0029】
(付記8) 前記導電層が互いに平行して伸びる配線構造を有し、その線幅が1μm以下であることを特徴する付記1又は2に記載の半導体デバイス。
【0030】
(付記9) 前記配線接合部が、拡散防止膜を側壁に有することを特徴とする付記1乃至5のいずれかに記載の半導体デバイス。
【0031】
(付記10) 第一の導電層を形成する工程と、
絶縁体を形成する工程と、
前記第一の導電層を構成する金属材料が前記絶縁体中へ拡散し、前記絶縁体が配線接続部をなすように、熱あるいは電界を印加する工程と
を有し、
前記第一の導電層と前記絶縁体との間が電気的に導通するよう構成された半導体デバイスの製造方法。(4)
(付記11) 前記配線接続部が第二の導電層と接するように形成する工程と、
前記第二の導電層を構成する金属材料が前記絶縁体中へ拡散し、前記絶縁体が配線接続部をなすように、熱あるいは電界を印加する工程と
を有し、
前記第一の導電層と前記第二の導電層との間が電気的に導通するよう構成された付記11に記載の半導体デバイスの製造方法。
【0032】
(付記12) 前記配線接続部へ前記金属材料が拡散する方向が主表面に対して鉛直方向であることを特徴とする付記11又は12に記載に記載の半導体デバイスの製造方法。
[発明の効果]
以上に説明したように、本発明では、金属配線材料を選択的に絶縁体に拡散させてコンタクトビアを形成できる。したがって、洗浄工程での絶縁膜や配線金属の侵食や、配線表面酸化による配線抵抗上昇もなく、その上コンタクトビアの微細化によりLSIの配線遅延を著しく低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図(配線構造の断面図)
【図2】本発明の一実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(工程a,b)
【図3】本発明の一実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(工程c,d)
【図4】本発明の一実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(工程e,f)
【図5】本発明の一実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(工程g,h)
【図6】本発明の一実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(工程i,j)
【図7】本発明の一実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(工程k,l)
【図8】本発明の一実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(工程m,n)
【図9】本発明の一実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(工程o,p)
【図10】本発明の他の実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(a,b)
【図11】本発明の他の実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(c,d)
【図12】本発明の他の実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(e,f)
【図13】本発明の他の実施形態に沿った半導体装置の製造工程途中の断面図(g,h)
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 素子分離酸化膜
3 ゲート絶縁膜
4 ゲート電極
5 サイドウォール
6 保護膜
7 ソース・ドレイン領域
8 シリコン酸化膜
9 シリコン窒化膜
10 窒化タンタル膜
11 タングステンプラグ
12、20 低誘電率絶縁膜
13 シリコン窒化膜
14、28 窒化タンタル膜
15 銅シード層
16 銅メッキ層
17 銅埋め込み配線層
18 密度の高い絶縁膜
19、21 シリコン窒化膜
22 窒化タンタル膜
23 銅シード層
24 銅メッキ層
25、26 銅埋め込み配線層
27 配線接続部
29 密度の低い絶縁体(ポーラスシリカ膜)
30 プラズマCVDシリコン窒化膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device having a contact via for electrically connecting metal wirings and a method for forming the same.
[0002]
[Prior art]
The multi-layer wiring structure of a semiconductor device includes a plurality of metal wiring layers covered with an insulating film, a contact hole is formed in order to conduct between the wirings, and a sidewall is surrounded by a barrier film for preventing metal diffusion. And a contact via made of metal.
[0003]
2. Description of the Related Art In recent years, a damascene method is frequently used in a process of forming a multilayer wiring layer of a semiconductor device. In this method, in order to electrically join two metal wirings sandwiching the insulating film, a lower wiring is formed, and then a contact hole forming layer and an insulating film for insulating the upper wiring are deposited, followed by a patterning step and etching. By repeating the process, a contact hole and an upper wiring groove are formed, a metal is buried in the contact hole and the upper wiring groove by a plating method, and chemical mechanical polishing (CMP method) is performed until the metal is left in the wiring groove. In this method, an upper wiring and a contact via are formed. Further, as one of methods for forming a wiring structure, there is a method utilizing a phenomenon in which a metal wiring material causes disconnection of a wiring due to stress migration or electromigration. (For example, Patent Document 1)
[0004]
[Patent Document 1] JP-A-5-7506 (pages 3-7, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the damascene method, it is difficult to etch copper represented by a low-resistance wiring material. Therefore, in order to form a contact via connecting a lower wiring and an upper wiring by a plating method, a contact hole in which an insulating film is patterned is formed. It is required to fill a plating solution and deposit copper so as to be in close contact with the lower wiring. However, when the hole diameter of the contact hole is reduced, the surface tension of the plating solution hinders the penetration of the plating solution, and it becomes difficult to uniformly deposit copper.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a contact via formed without applying a plating solution to a contact hole to be miniaturized and a method for manufacturing the same.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention. The figure schematically shows a part of a cross-sectional view in a semiconductor device manufacturing process. More specifically, a
[0008]
When the substrate is heated at about 400 ° C. for several minutes in this state, stress migration occurs in the copper embedded wiring, and copper is diffused into the
[0009]
Since the wiring connection portion is made of one of SiO2, SiOC, SiOF, SiON, SiCON, SiCN, and an organic insulating material, it is possible to provide a wiring connection portion suitable for diffusing the metal material forming the conductive layer. When the organic insulating material is a polysiloxane-based porous silica, the wiring metal can be easily diffused into the porous structure. Further, when the metal material is any one of Al, Al alloy, Cu, Cu alloy, W, W alloy, Fe, and Fe alloy, the wiring material can be selectively diffused into the diffusion plug. Since the diffusion direction of the wiring material is perpendicular to the main surface, metal atoms diffuse in the same direction as the crystal direction when the metal material of the conductive layer is formed, and the wiring connection portion and the wiring layer Adhesion is improved.
[0010]
Since the insulating film formed around the wiring connection portion is any one of SiN, SiC, and SiC: H, the wiring connection portion in which the metal material is diffused is insulated, and the wiring is suitable for preventing the diffusion of the wiring material. Can provide structure. Furthermore, since the wiring connection part has similar chemical or mechanical properties to general interlayer insulating film materials, it does not react with each other and forms devices while maintaining the flatness of the substrate without causing local stress. it can. Further, since a contact via can be formed without using a barrier metal, the contact area of the contact via diameter can be increased, and the contact resistance can be reduced. As a result, when the contact vias are miniaturized, the insulation resistance between the contact vias increases, and a semiconductor device with reduced wiring delay can be provided.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[Example 1]
Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 9 which are cross-sectional views in the course of a semiconductor device manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 2A, first, after forming an element
Next, as shown in FIG. 2B, a silicon oxide film 8 (thickness: 1 μm) as an interlayer insulating film is formed on the entire surface by a CVD method, and a silicon nitride film 9 (which becomes a polishing stopper in a subsequent CMP (chemical mechanical polishing) process by a sputtering method). (Thickness: 100 nm) are sequentially deposited to form the structure of FIG.
Referring to FIG. 3C, the
Then, as shown in FIG. 3D, in order to form a diffusion prevention film (tantalum nitride film) 10 and a tungsten via 11, a tungsten film (thickness: 50 nm) and tungsten (hereinafter, referred to as W (Not shown), and then polished by a CMP method until the
Referring to FIG. 4E, in order to form a low dielectric constant insulating
Next, referring to FIG. 4F, the
Next, as shown in FIG. 5G, a
[0012]
Next, the
Referring to FIG. 5H, a copper buried
Next, as shown in FIG. 6I, a
Referring to FIG. 6 (j), a resist (not shown) formed by photolithography is used as an etching mask to perform reactive ion etching with a mixed gas plasma such as CF4 and CHF3 to connect the wiring on the copper embedded
7 (k), a plasma CVD silicon nitride film 30 (600 nm thick) is formed on the entire surface by a plasma CVD method (film formation temperature: 360 to 380 ° C.).
Referring to FIG. 7 (l), the plasma CVD
Next, as shown in FIG. 8M, porous silica is spin-coated (400 nm thick) as the low dielectric constant insulating
Next, referring to FIG. 8 (n), using a resist (not shown) formed by photolithography as an etching mask, reactive ion etching is performed with a mixed gas plasma of CF4 and CHF3 to form wiring layer grooves. The structure shown in FIG.
Referring to FIG. 9 (o), a
[0013]
Next, the
As shown in FIG. 9 (p), the copper buried wiring layers 25 and 26 in which the copper plating layer and the copper seed layer are integrated are formed, and the structure shown in FIG. 9 (p) is obtained.
[0014]
Then, the substrate is heated at 400 ° C. for 5 minutes to cause stress migration in the wiring structure, to diffuse copper atoms from the copper buried
[0015]
As described above, the steps of forming the insulating film including the wiring connection portion, forming the wiring layer groove, forming the copper buried wiring layer, and diffusing copper to the wiring connection portion by the required number of times are repeated. A wiring structure is formed.
[0016]
Note that electromigration can be used as a method for diffusing copper atoms from the
[0017]
In order to diffuse copper atoms from the copper wiring layer into the
[0018]
In the above embodiment, in addition to the plasma CVD
[0019]
Examples of the wiring connection portion 27 (insulator having a low density) include SiO2, SiOC, SiOF, SiON, SiCON, and SiCN that can be formed by a plasma CVD method, and an organic insulating film that can be formed by a coating method. However, the invention of the present application is not limited to the above-mentioned materials, and by using two or more kinds of insulating films having a difference in the diffusibility of the wiring metal, the insulating material having a high diffusivity, that is, a low-density insulator (wiring connecting portion) can be formed. Wiring metal can be selectively diffused to form contact vias.
[0020]
This eliminates the need for cleaning, which was conventionally required to adhere the diffusion prevention film to the inside of the wiring via, and prevents the cleaning solution from eroding the inner wall of the contact hole.
[0021]
Since the lower wiring surface of the contact via portion is not subjected to the contact hole etching and the associated cleaning process, the surface is not oxidized and the wiring resistance does not increase.
[0022]
In addition, by arranging a low-density insulator that is not intended for bonding between wirings to a required part of a metal wiring, abnormal temperature rise caused by wiring deterioration (high resistance) and excessive current generation due to wiring short-circuiting can be prevented. On the other hand, a semiconductor device capable of avoiding temporary stress migration can be provided because metal is diffused into the insulator having a low density.
[0023]
Other than copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, tungsten, tungsten alloy, iron, and iron alloy can be used as the wiring material. Stress migration occurs at a temperature higher than the formation temperature of the material selected for the wiring connection, or an electric field is applied. A wiring material that causes electromigration due to is selected.
[Example 2]
Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIGS. 10 to 13 which are cross-sectional views in the middle of a manufacturing process of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
Steps up to FIG. 10A are obtained after sequentially performing the steps of FIG. 2A to FIG. 5H in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
As shown in FIG. 10A, a porous silica (not shown), which is an SOG material, is applied (film thickness: 400 nm) as a material of the reference wiring connection portion, and is baked (360 to 380 ° C.), and is formed by photolithography (not shown). By performing reactive ion etching with a mixed gas plasma such as CF4 and CHF3 using) as an etching mask, the
Referring to FIG. 10B, a tantalum nitride film 28 (thickness: 50 nm) serving as a diffusion prevention film is formed using a sputtering method so as to cover the
Next, as shown in FIG. 11C, a
Referring to FIG. 11D, flattening is performed by an etch-back method or the like until the surface of the
Next, as shown in FIG. 12E, porous silica is spin-coated (400 nm) as the low-dielectric-constant
Referring to FIG. 12F, the
Referring to FIG. 13 (g), a
Next, the
As shown in FIG. 13H, the
[0024]
Then, the substrate is heated at 400 ° C. for 5 minutes to cause stress migration in the wiring structure, copper atoms diffuse from the copper buried
[0025]
In the above-described embodiment, the
[0026]
Hereinafter, various aspects of the present invention are collectively described as supplementary notes.
[0027]
(Supplementary Note 1) A first conductive layer,
A metal material constituting the first conductive layer diffuses into the insulator and has a conductive wiring connection portion,
A semiconductor device configured to electrically conduct between the first conductive layer and the insulator. (1)
(Supplementary Note 2) The semiconductor device according to
[0028]
(Supplementary Note 3) The semiconductor device according to
(Supplementary Note 4) The wiring connection part is a silicon oxide film (SiO2), a silicon carbide oxide film (SiOC), a silicon fluoride oxide film (SiOF), a silicon nitride oxide film (SiON), a silicon carbonitride oxide film (SiCON), 4. The semiconductor device according to any one of
(Supplementary note 5) The semiconductor device according to
(Supplementary Note 6) The insulator formed around the wiring connection portion is made of any one of a silicon nitride film (SiN), silicon carbide (SiC), and silicon hydride (SiC: H). 4. The semiconductor device according to any one of
(Supplementary Note 7) The semiconductor device according to
[0029]
(Supplementary Note 8) The semiconductor device according to
[0030]
(Supplementary note 9) The semiconductor device according to any one of
[0031]
(Supplementary Note 10) a step of forming a first conductive layer;
Forming an insulator;
A step of applying heat or an electric field, such that the metal material constituting the first conductive layer is diffused into the insulator, and the insulator forms a wiring connection portion.
A method for manufacturing a semiconductor device configured to electrically conduct between the first conductive layer and the insulator. (4)
(Supplementary Note 11) a step of forming the wiring connection portion so as to be in contact with a second conductive layer;
A step of applying heat or an electric field, such that the metal material constituting the second conductive layer is diffused into the insulator, and the insulator forms a wiring connection portion.
The method for manufacturing a semiconductor device according to
[0032]
(Supplementary note 12) The method of manufacturing a semiconductor device according to
[The invention's effect]
As described above, according to the present invention, a contact via can be formed by selectively diffusing a metal wiring material into an insulator. Therefore, there is no erosion of the insulating film or the wiring metal in the cleaning step, and there is no increase in the wiring resistance due to the oxidation of the wiring surface, and the wiring delay of the LSI can be significantly reduced by miniaturizing the contact via.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention (cross-sectional view of a wiring structure).
FIG. 2 is a sectional view (steps a and b) of a semiconductor device during a manufacturing process according to an embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a sectional view (steps c and d) of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention during the manufacturing process;
FIG. 4 is a sectional view (steps e and f) of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention during the manufacturing process thereof;
FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor device in the course of the manufacturing process according to the embodiment of the present invention (processes g and h).
FIG. 6 is a cross-sectional view (steps i and j) of the semiconductor device during the manufacturing process according to the embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor device in the course of a manufacturing process according to an embodiment of the present invention (processes k and l).
FIG. 8 is a cross-sectional view (steps m and n) of the semiconductor device in the course of the manufacturing process according to the embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a sectional view (steps o and p) of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention in the course of manufacturing the semiconductor device;
FIG. 10 is a sectional view (a, b) of a semiconductor device during a manufacturing process according to another embodiment of the present invention;
FIG. 11 is a sectional view (c, d) of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention during the manufacturing process thereof;
FIG. 12 is a sectional view (e, f) of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention during the manufacturing process thereof;
FIG. 13 is a sectional view (g, h) of the semiconductor device according to another embodiment of the present invention during the manufacturing process thereof;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
30 Plasma CVD silicon nitride film
Claims (5)
前記第一の導電層を構成する金属材料が絶縁体中に拡散して導電性をなす配線接続部とを有し、
前記第一の導電層と前記絶縁体との間が電気的に導通するよう構成された半導体デバイス。A first conductive layer,
A metal material constituting the first conductive layer diffuses into the insulator and has a conductive wiring connection portion,
A semiconductor device configured to electrically conduct between the first conductive layer and the insulator.
絶縁体を形成する工程と、
前記第一の導電層を構成する金属材料が前記絶縁体中へ拡散し、前記絶縁体が配線接続部をなすように、熱あるいは電界を印加する工程と
を有し、
前記第一の導電層と前記絶縁体との間が電気的に導通するよう構成された半導体デバイスの製造方法。Forming a first conductive layer;
Forming an insulator;
A step of applying heat or an electric field, such that the metal material constituting the first conductive layer is diffused into the insulator, and the insulator forms a wiring connection portion.
A method for manufacturing a semiconductor device configured to electrically conduct between the first conductive layer and the insulator.
前記第二の導電層を構成する金属材料が前記絶縁体中へ拡散し、前記絶縁体が配線接続部をなすように、熱あるいは電界を印加する工程と
を有し、
前記第一の導電層と前記第二の導電層との間が電気的に導通するよう構成された請求項4に記載の半導体デバイスの製造方法。Forming the wiring connection portion so as to be in contact with the second conductive layer,
A step of applying heat or an electric field, such that the metal material constituting the second conductive layer is diffused into the insulator, and the insulator forms a wiring connection portion.
The method according to claim 4, wherein the first conductive layer and the second conductive layer are electrically connected.
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