JP2004247337A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板10上に形成された第1の絶縁膜層11に形成された第1の配線溝の内部に第1のバリアメタルを介して埋め込まれた第1の金属配線と、第1の金属配線上に形成された第3の絶縁膜層17に形成されたVia ホールの内部に第2のバリアメタル19を介して埋め込まれた金属膜からなるVia プラグ20と、Via プラグが埋め込まれた第3の絶縁膜層上に形成された第4の絶縁膜層22に形成された第2の配線溝の内部に第2のバリアメタルとは異なる膜厚の第3のバリアメタル24を介して埋め込まれた第2の金属配線25とを具備する。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に2層以上の配線層を積層してVia プラグにより層間配線を行う半導体装置およびその製造方法に関するもので、例えば銅のような低抵抗金属配線を用いる半導体装置に使用されるものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、コンピューターや通信機器の重要部分には、多数のトランジスタや抵抗などを電気回路を達成するように結びつけ、1チップ上に集積化して形成した大規模集積回路(LSI)が多用されている。このため、機器全体の性能は、LSI単体と大きく結びついている。LSI単体の性能向上は、集積度を高めること、つまり、素子の微細化により実現できる。
【0003】
しかし、微細化により、配線抵抗Rおよび配線間の容量C結合に起因するRC遅延が素子の高速動作を阻害する問題が顕著になってきている。このため、配線間容量の低減が必要であり、比誘電率の小さな絶縁膜材料が導入されている。また、材料的以外の方法としては、対向する配線膜厚を薄くして対向面積を小さくする方法がある。
【0004】
しかし、配線膜厚の薄膜化をすすめていくと配線抵抗が増大し、結果的にRC遅延が大きくなってしまう。そこで、銅のような低抵抗金属が配線金属として用いられてきているが、微細化が進み、配線幅が細くなってくると、配線中での銅の占有する割合が減り、結果として配線抵抗の低減効果が小さくなってしまう(例えば特許文献1参照)。
【0005】
上記したような配線中に銅の占有する割合が減る原因は、例えばデュアルダマシーンによる銅配線の形成において、配線の信頼性を高めるためにビア(Via) ホールの底部の側壁までバリアメタルの膜厚を保証しようとすると、配線断面積の縮小率にバリアメタルの薄膜化が追いつけないからである。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−345380号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように低抵抗金属が配線金属として用いられた従来の半導体装置は、微細化が進み、配線幅が細くなってくると、配線抵抗の低減効果が小さくなってしまい、配線の信頼性を高めることが困難になるという問題があった。
【0008】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、配線の信頼性の向上と配線抵抗の低減を同時に実現し得る半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の半導体装置は、半導体基板上に形成された第1の絶縁膜層に形成された第1の配線溝の内部に第1のバリアメタルを介して埋め込まれた第1の金属配線と、前記第1の金属配線上に形成された第2の絶縁膜層と、前記第2の絶縁膜層に形成されたVia ホールの内部に第2のバリアメタルを介して埋め込まれた金属からなるVia プラグと、前記Via プラグが埋め込まれた第2の絶縁膜層上に形成された第3の絶縁膜層と、前記第3の絶縁膜層に形成された第2の配線溝の内部に前記第2のバリアメタルとは異なる膜厚の第3のバリアメタルを介して埋め込まれた第2の金属配線とを具備することを特徴とする。
【0010】
また、本発明の第2の半導体装置は、半導体基板上に形成された第1の絶縁膜層に形成された第1の配線溝の内部に第1のバリアメタルを介して埋め込まれた第1の金属配線と、前記第1の金属配線上に形成された第2の絶縁膜層と、前記第2の絶縁膜層に形成されたVia ホールの内部に第2のバリアメタルを介して埋め込まれた金属からなるVia プラグと、前記Via プラグが埋め込まれた第2の絶縁膜層上に形成された第3の絶縁膜層と、前記第3の絶縁膜層に形成された第2の配線溝の内部に前記第2のバリアメタルとは異なった材料の第3のバリアメタルを介して埋め込まれた第2の金属配線とを具備することを特徴とする。
【0011】
また、本発明の第3の半導体装置は、半導体基板上に形成された第1の絶縁膜層に形成された第1の配線溝の内部に第1のバリアメタルを介して埋め込まれた第1の金属配線と、前記第1の金属配線上に形成された第2の絶縁膜層と、前記第2の絶縁膜層に形成されたVia ホールの内部に第2のバリアメタルを介して埋め込まれた金属からなるVia プラグと、前記Via プラグが埋め込まれた第2の絶縁膜層上に形成された第3の絶縁膜層と、前記第3の絶縁膜層に形成された第2の配線溝の内部に前記第2のバリアメタルとは異なったプロセスで成膜された第3のバリアメタルを介して埋め込まれた第2の金属配線とを具備することを特徴とする。
【0012】
また、本発明の第1の半導体装置の製造方法は、本発明の第1、第2、第3の半導体装置のいずれかをシングルダマシーンプロセスを用いて製造する際、半導体基板上に第1の配線層に相当する第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜に第1の配線溝を形成する工程と、前記第1の配線溝を含む第1の絶縁膜の上面全面に第1のバリアメタルを形成する工程と、前記第1のバリアメタルの上面全面に第1の金属膜を形成する工程と、前記第1の金属膜および前記第1のバリアメタルのうちで前記第1の配線溝の内部以外の部分を除去して第1の配線層を形成する工程と、前記第1の配線層の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜に接続孔を形成する工程と、前記接続孔を含む第2の絶縁膜の上面全面に第2のバリアメタルを形成する工程と、前記第2のバリアメタルの上面全面に第2の金属膜を形成する工程と、前記第2の金属膜および前記第2のバリアメタルのうちで前記接続孔の内部以外の部分を除去してVia プラグを形成する工程と、前記Via プラグが形成された第2の絶縁膜の上面全面に第2の配線層に相当する第3の絶縁膜を形成する工程と、前記第3の絶縁膜に第2の配線溝を形成する工程と、前記第2の配線溝を含む第3の絶縁膜の上面全面に前記第2のバリアメタルとは異なる膜厚、または異なる材料あるいは成膜プロセスを用いて第3のバリアメタルを形成する工程と、前記第3のバリアメタルの上面全面に第3の金属膜を形成する工程と、前記第3の金属膜および前記第3のバリアメタルのうちで前記第3の絶縁膜の上面に堆積されている部分を除去することにより、前記第2の配線溝の内部に第2の配線層を残す工程とを具備することを特徴とする。
【0013】
また、本発明の第2の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1の配線層に相当する第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜に第1の配線溝を形成する工程と、前記第1の配線溝を含む第1の絶縁膜の上面全面に第1のバリアメタルを形成する工程と、前記第1のバリアメタルの上面全面に第1の金属膜を形成する工程と、前記第1の金属膜および前記第1のバリアメタルのうちで前記第1の配線溝の内部以外の部分を除去して第1の配線層を形成する工程と、前記第1の配線層の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜に接続孔を形成する工程と、前記接続孔の内面に第2のバリアメタルを形成する工程と、前記接続孔を含む第2の絶縁膜の上面全面に第2の配線層に相当する第3の絶縁膜を形成する工程と、前記第3の絶縁膜に第2の配線溝を形成すると同時に前記接続孔を再形成する工程と、前記接続孔の内面の前記第2のバリアメタルの表面及び第2の配線溝を含む第3の絶縁膜の上面全面に前記第2のバリアメタルとは異なる膜厚、または異なる材料あるいは成膜プロセスを用いて第3のバリアメタルを形成する工程と、前記第3のバリアメタルの上面全面に第3の金属膜を形成する工程と、前記第3の金属膜および前記第3のバリアメタルのうちで前記第3の絶縁膜の上面に堆積されている部分を除去することにより、前記接続孔の内部にVia プラグを残すとともに前記第2の配線溝の内部に第2の配線層を残す工程とを具備することを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0015】
<第1の実施形態>
図1(a)〜(c)および図2(a)〜(c)は、第1の実施形態に係る多層金属配線を有する半導体装置の製造工程における断面図を示している。
【0016】
本例においては、シングルダマシーン(single−Damascene)プロセスを用いて埋め込み型のCu配線を形成する際、Cu配線上にCuの拡散防止機能とCuの酸化抑制機能を有するバリアメタルを選択的に形成した例について説明を行うものとする。
【0017】
なお、本例の断面図においては、素子分離構造並びにMOSFETの形成工程は図示を省略し、埋め込み型のCu配線を形成した後、絶縁膜と配線層を交互に積層して2層単位の金属配線を形成する工程を図示している。
【0018】
まず、図1(a)に示すように、半導体基板10に絶縁分離層となる第1の層間絶縁膜11を堆積する。その後、第1の金属配線を形成すべく、配線間の絶縁膜として比誘電率の低い第2の層間絶縁膜12を順次堆積する。この第2の層間絶縁膜として、本例においては、無機絶縁膜をキャップとしたSiO2 膜12a /メチルポリシロキサン系絶縁膜12b の積層構造を用いている。ここで、SiO2 の比誘電率は3.9程度、メチルポリシロキサンの比誘電率は2.2程度である。次に、レジスト(図示せず)をマスクとして、RIE(反応性イオンエッチング)により第1の配線を埋め込むための第1の配線溝13を形成する。
【0019】
その後、図1(b)に示すように、第1のバリアメタル14を形成するためのTa膜をスパッタ法により堆積させる。次に、第1の配線15を埋め込むための配線金属膜としてCu膜をスパッタ法とメッキ法を用いて充填する。その後、CMP(化学的機械的研磨)法等を用いて、Cu膜の平坦化を行うとともに第1の配線溝13の内部にのみCu膜を第1の配線15として残置させる。
【0020】
次に、図1(c)に示すように、Cuの拡散防止機能とCuの酸化防止機能を有する第1の拡散防止膜16を第1の配線15上及び第2の層間絶縁膜12上の全面に形成する。その後、第3の層間絶縁膜17を第1の拡散防止膜16上の全面に堆積させる。ここでは、第3の層間絶縁膜17として、無機絶縁膜をキャップ絶縁膜としたSiO2 膜17a /メチルシロキサン系絶縁膜17b の積層構造を用いている。その後、第1の配線層と第2の配線層とを接続するために必要な層間接続孔(Via ホール)18を形成するためにパターニングする。
【0021】
次に、図2(a)に示すように、Via ホール18の底面部の拡散防止膜16をエッチング除去し、全面に第2のバリアメタル19とVia プラグ20を埋め込むための金属膜を順次堆積させる。この場合、第2のバリアメタル19としてTaを20nm堆積させ、金属膜としてCu膜を60nm堆積させる。
【0022】
次に、電解メッキ法によってVia ホール内を含む第3の層間絶縁膜17の上面全面に約400nm のCu膜を堆積させる。その後、CMP法等を用いて、Cu膜の平坦化を行うとともにVia ホール内にのみCu膜をVia プラグ20として残置させる。
【0023】
次に、図2(b)に示すように、Via プラグ20及び第3の層間絶縁膜17の上面全面にCuの拡散防止機能とCuの酸化防止機能を有する第2の拡散防止膜21を堆積させた後、第2の金属配線を形成すべく配線間の絶縁膜として比誘電率の低い第4の層間絶縁膜22を堆積する。この第4の層間絶縁膜22として、本例においては、無機絶縁膜をキャップ絶縁膜としたSiO2 膜22a /メチルシロキサン系絶縁膜22b の積層構造を用いている。次に、レジスト(図示せず)をマスクとして、第2の配線を埋め込むための第2の配線溝23をRIEにより形成する。
【0024】
次に、図2(c)に示すように、第2の配線溝23の底面部の拡散防止膜21をエッチング除去し、全面に第3のバリアメタル24と第2の配線25を埋め込むための配線金属膜を順次堆積させる。この場合、第3のバリアメタル24としてTa膜をスパッタ法により堆積させた後、配線金属膜としてCu膜をスパッタ法とメッキ法を用いて充填する。この時、第3のバリアメタル24は、接続孔底部まで膜厚を保証することがないから、前記第2のバリアメタル19よりも薄く膜厚を設定し、5nm 堆積させる。そして、CMP法等を用いて、Cu膜の平坦化を行うとともに第2の配線溝内にのみCu膜を第2の配線25として残置させる。
【0025】
その後、必要に応じて、図1(c)乃至図2(c)に示した工程を繰り返すことにより、幾層もの多層配線を形成することが可能である。
【0026】
なお、前記したCuの拡散防止機能とCuの酸化防止機能を有する第1の拡散防止膜16および第2の拡散防止膜21は、SiN とかSiC などを用いることができる。また、前記キャップ絶縁膜12a,17a,22a は、SiO2 膜に限らず、SiC などを用いることができる。
【0027】
即ち、上記したようにシングルダマシーンプロセスを用いて形成された多層配線は、Via プラグ20部分の第2のバリアメタル19と第2の配線25部分の第3のバリアメタル24が異なった膜厚であり、第2のバリアメタル19の膜厚が第3のバリアメタル24の膜厚よりも厚くなっている。
【0028】
また、上記した第1の実施形態で説明した製造工程の特徴は、半導体基板上に第1の配線層に相当する第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜に第1の配線溝を形成する工程と、前記第1の配線溝を含む第1の絶縁膜の上面全面に第1のバリアメタルを形成する工程と、前記第1のバリアメタルの上面全面に第1の金属膜を形成する工程と、前記第1の金属膜および前記第1のバリアメタルのうちで前記第1の配線溝の内部以外の部分を除去して第1の配線層を形成する工程と、前記第1の配線層の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜に接続孔を形成する工程と、前記接続孔を含む第2の絶縁膜の上面全面に第2のバリアメタルを形成する工程と、前記第2のバリアメタルの上面全面に第2の金属膜を形成する工程と、前記第2の金属膜および前記第2のバリアメタルのうちで前記接続孔の内部以外の部分を除去してVia プラグを形成する工程と、前記Via プラグが形成された第2の絶縁膜の上面全面に第2の配線層に相当する第3の絶縁膜を形成する工程と、前記第3の絶縁膜に第2の配線溝を形成する工程と、前記第2の配線溝を含む第3の絶縁膜の上面全面に第3のバリアメタルを前記第2のバリアメタルより薄く形成する工程と、前記第3のバリアメタルの上面全面に第3の金属膜を形成する工程と、前記第3の金属膜および前記第3のバリアメタルのうちで前記第2の配線溝の内部以外の部分を除去することにより、前記第2の配線溝の内部に第2の配線層を残す工程とを具備することにある。
【0029】
上記したような多層配線とその製造方法によれば、Cuのような低抵抗金属を配線金属として用いる場合に、Via ホール18の底部の側壁まで第2のバリアメタル19の膜厚を保証することによって配線の信頼性を高めることが可能になる。また、配線膜厚の薄膜化を進めていって配線幅が細くなっても、第2の配線25部分の第3のバリアメタル24を薄く形成することによって、配線中でのCuの占有する割合の減少を抑制し、結果的に配線抵抗の増大を抑制し、RC遅延の増大を抑制することができる。
【0030】
<第2の実施形態>
第1の実施形態では、配線信頼性向上と配線抵抗の低減を同時に実現するために、Via プラグ部分のバリアメタル19と配線部分のバリアメタル25とを異なった膜厚にしたが、第2の実施形態では、Via プラグ部分のバリアメタル19と配線部分のバリアメタル25とを異なった膜種(材料)にすることで実現する。
【0031】
第2の実施形態は、前述した第1の実施形態と比べて、第2のバリアメタル19として還元作用の大きなもの、例えばTi/TiN積層膜を10/10nm 堆積する点が異なり、その他は同じである。
【0032】
上記したようにVia プラグ部分と配線部分とで異なった特徴をもつバリアメタルを用いた多層配線およびその製造方法によれば、Via プラグ部分のバリアメタル29は、Via ホールの底部の側壁における配線の信頼性を高めることが可能であり、配線部分のバリアメタル25は配線抵抗の増大を抑制し、RC遅延の増大を抑制することが可能になる。
【0033】
また、前述した第1の実施形態と同様に、Via プラグ部分のバリアメタル19の膜厚を配線部分のバリアメタル25の膜厚よりも厚く形成しておくことにより、第1の実施形態で前述した理由による効果が相乗的に得られる。
【0034】
<第3の実施形態>
第1、第2の実施形態では、シングルダマシーンプロセスを用い、埋め込み型のCu配線上にCuの拡散防止機能とCuの酸化抑制機能を有するバリアメタルを選択的に形成した例を示したが、第3の実施形態では、デュアルダマシーン(dual−Damascene)プロセスを用いた例について説明を行うものとする。
【0035】
図3(a)〜(c)は、第3の実施形態に係る多層金属配線を有する半導体装置の製造工程の一部における断面図を示している。
【0036】
なお、本例の断面図においては、素子分離構造並びにMOSFETの形成工程は図示を省略し、埋め込み型のCu配線を形成した後、絶縁膜と配線層を交互に積層して2層単位の金属配線を形成する工程を図示している。
【0037】
第3の実施形態の工程は、第1の実施形態で前述した工程と比べて、図1(a)〜(c)および図2(a)に示したように第3の層間絶縁膜17に形成されたViaホール18の内面に第2のバリアメタル19を堆積させた図3(a)に示す工程の後の工程が異なり、異なる部分を中心に以下に説明する。
【0038】
即ち、図3(a)に示すように第2のバリアメタル19としてTaを15nm堆積させた後、図2(a)中に示したような第2の金属20を形成するための金属配線膜および第2の拡散防止膜21を堆積することなく、図3(b)に示すように、第3の層間絶縁膜17の上面全面に第2の配線層を形成すべく比誘電率の低い第4の層間絶縁膜32を堆積する。この第4の層間絶縁膜32として、本例においては、有機絶縁膜のポリアリーレンを用いている。ここで、ポリアリーレンの比誘電率は2.2程度である。次に、レジスト(図示せず)及び無機絶縁膜のハードマスクをマスクとして、RIEにより第2の配線を埋め込むための第2の配線溝33を形成すると同時に前記Via ホール18を再形成する。
【0039】
次に、図3(c)に示すように、前記Via ホール18の内面の第2のバリアメタル19の表面と前記第2の配線溝33の内面と第4の層間絶縁膜32の上面全面に第3のバリアメタル34となるTa膜をスパッタ法により堆積させる。この時、第3のバリアメタル34は、Via ホール底部まで膜厚を保証する必要がないので、前記第2のバリアメタル19よりも薄く膜厚を設定し、5nm 堆積させる。これにより、Viaホール部分のバリアメタルは、トータルで20nm堆積したこととになり、第2の配線溝33の内面のバリアメタルは5nm 堆積したことになる。
【0040】
次に、前記第3のバリアメタル34の上面全面に配線金属となるCu膜をスパッタ法とメッキ法を用いて堆積し、前記Via ホール18および第2の配線溝33の内部にCu膜を充填する。そして、CMP法等を用いて平坦化を行い、Cu膜および第3のバリアメタル34のうちで第4の層間絶縁膜32の上面に堆積された部分を除去することにより、Via ホール18の内部にCu膜をVia プラグ39として残置させるとともに第2の配線溝33の内部にCu膜を第2の配線35として残置させる。
【0041】
その後、必要に応じて、図1(c)、図3(a)〜(c)に示した工程を繰り返すことにより、幾層もの多層配線を形成することが可能である。
【0042】
即ち、上記したようにデュアルダマシーンプロセスを用いて形成された多層配線構造において、Via プラグ及び第2の金属配線は、デュアルダマシーンプロセスにより同じ工程で形成されており、Via プラグ部分の第2のバリアメタル19の膜厚が第2の配線部分の第3のバリアメタル34の膜厚よりも厚くなっている。この場合、第2のバリアメタル19は、第3のバリアメタル34の形成工程によって膜厚が増加している。
【0043】
したがって、上記したような多層配線およびその製造方法によれば、第1の実施形態で前述したと同様の効果が得られる。
【0044】
<第4の実施形態>
第3の実施形態では、デュアルダマシーンプロセスを用いて配線信頼性向上と配線抵抗の低減を同時に実現するために、接続孔の内部のVia プラグ部分のバリアメタル19と配線部分のバリアメタル34とを異なった膜厚にしたが、第4の実施形態では、バリアメタル19と34とを異なった膜種にすることで実現する。
【0045】
第4の実施形態は、前述した第3の実施形態と比べて、第2のバリアメタル19として還元作用の大きなもの、例えばTi/TiN積層膜を10/10nm 堆積する点が異なり、その他は同じである。
【0046】
上記したようなVia プラグ部分と配線部分とで異なった特徴をもつバリアメタルを用いた多層配線およびその製造方法によれば、Via プラグ部分のバリアメタル19は、Via ホール18の底部の側壁における配線の信頼性を高めることが可能であり、配線部分のバリアメタル34は配線抵抗の増大を抑制し、RC遅延の増大を抑制することが可能になる。
【0047】
また、Via プラグ部分のバリアメタル19の膜厚が配線部分のバリアメタル34の膜厚よりも厚く形成されているので、第1の実施形態で前述した理由による効果が相乗的に得られる。
【0048】
<第5の実施形態>
第1、第2の実施形態では、シングルダマシーンプロセスを用いて配線の信頼性向上と配線抵抗の低減を同時に実現するために、Via プラグ部分のバリアメタルと配線部分のバリアメタルとを異なった膜厚あるいは膜種にしたが、第5の実施形態では、Via プラグ部分のバリアメタルと配線部分のバリアメタルとを異なった成膜方法で形成することで実現する。
【0049】
第5の実施形態は、前述した第1の実施形態あるいは第2の実施形態において、前記第2のバリアメタルを形成する際にはCVD(化学気相成長)法を用いて成膜し、前記第3のバリアメタルを形成する際にはスパッタ法を用いて成膜する点が異なり、その他は同じである。
【0050】
この場合、Via ホール部分のバリアメタルをCVD法を用いて成膜することにより、図4(a)に示すようにVia ホール18の底部の側壁までバリアメタル51の膜厚を保証することが可能(Via ホール底部のコーナー部に対する被覆性が良好)になり、配線の信頼性を高めることが可能になる。
【0051】
また、図4(b)に示すように配線溝23あるいは33の内部の配線部分のバリアメタル52をスパッタ法を用いて成膜することにより、バリアメタル52を薄く形成することが可能になる。したがって、膜厚の薄膜化を進めていって配線幅が細くなっても、配線中での銅の占有する割合の減少を抑制することが可能になり、結果的に配線抵抗の増大を抑制し、RC遅延の増大を抑制することができる。
【0052】
また、Via プラグ部分のバリアメタルと配線部分のバリアメタルが異なった膜厚であり、Via プラグ部分の膜厚が配線部分の膜厚よりも厚く形成されているので、前述した第1あるいは第2の実施形態と同様の効果も得られる。
【0053】
<第6の実施形態>
第3、第4の実施形態では、デュアルダマシーンプロセスを用いて配線の信頼性向上と配線抵抗の低減を同時に実現するために、Via プラグ部分のバリアメタルと配線部分のバリアメタルとを異なった膜厚あるいは膜種にしたが、第6の実施形態では、Via プラグ部分のバリアメタルと配線部分のバリアメタルとを異なった成膜方法で形成することで実現する。
【0054】
第6の実施形態は、前述した第3の実施形態あるいは第4の実施形態において、前記第2のバリアメタルを形成する際にはCVD法を用いて成膜し、前記第3のバリアメタルを形成する際にはスパッタ法を用いて成膜する点が異なり、その他は同じである。
【0055】
したがって、第5の実施形態で前述したと同様の効果が得られる。
【0056】
なお、本発明は上述したような各実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【0057】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、Via プラグ部分と配線部分とでバリアメタルの膜厚を異ならせることにより、配線の信頼性を劣化させることなく配線抵抗の低減を図ることができる。また、Via プラグ部分と配線部分とでバリアメタルの材料を異ならせることにより、配線の信頼性を劣化させることなく配線抵抗の低減を図ることができる。さらに、Via プラグ部分と配線部分とでバリアメタルの成膜方法を異ならせることにより、配線の信頼性を劣化させることなく配線抵抗の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る多層金属配線を有する半導体装置の製造工程の一部を示す断面図。
【図2】図1の工程に続く工程を示す断面図。
【図3】第3の実施形態に係る多層金属配線を有する半導体装置の製造工程の一部を示す断面図。
【図4】第5の実施形態に係る多層金属配線を有する半導体装置の製造工程の一部を示す断面図。
【符号の説明】
10…半導体基板、11…第1の層間絶縁膜、12…第2の層間絶縁膜、13…第1のバリアメタル、15…第1の金属配線(Cu)、16…第1の拡散防止膜、17…第3の層間絶縁膜、19…第2のバリアメタル、20…Via プラグ(Cu)、21…第2の拡散防止膜、22…第4の層間絶縁膜、24…第3のバリアメタル、25…第2の金属配線(Cu)。
Claims (20)
- 半導体基板上に形成された第1の絶縁膜層に形成された第1の配線溝の内部に第1のバリアメタルを介して埋め込まれた第1の金属配線と、
前記第1の金属配線上に形成された第2の絶縁膜層と、
前記第2の絶縁膜層に形成されたVia ホールの内部に第2のバリアメタルを介して埋め込まれた金属からなるVia プラグと、
前記Via プラグが埋め込まれた第2の絶縁膜層上に形成された第3の絶縁膜層と、
前記第3の絶縁膜層に形成された第2の配線溝の内部に前記第2のバリアメタルとは異なる膜厚の第3のバリアメタルを介して埋め込まれた第2の金属配線
とを具備することを特徴とする半導体装置。 - 前記第2のバリアメタルの膜厚が前記第3のバリアメタルの膜厚よりも厚くなっていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記Via プラグ及び前記第2の金属配線は、シングルダマシーンプロセスにより別々の工程で形成されたことを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記Via プラグ及び前記第2の金属配線は、デュアルダマシーンプロセスにより同じ工程で形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置を製造する際、
半導体基板上に第1の配線層に相当する第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜に第1の配線溝を形成する工程と、
前記第1の配線溝を含む第1の絶縁膜の上面全面に第1のバリアメタルを形成する工程と、
前記第1のバリアメタルの上面全面に第1の金属膜を形成する工程と、
前記第1の金属膜および前記第1のバリアメタルのうちで前記第1の配線溝の内部以外の部分を除去して第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜に接続孔を形成する工程と、
前記接続孔を含む第2の絶縁膜の上面全面に第2のバリアメタルを形成する工程と、
前記第2のバリアメタルの上面全面に第2の金属膜を形成する工程と、
前記第2の金属膜および前記第2のバリアメタルのうちで前記接続孔の内部以外の部分を除去してVia プラグを形成する工程と、
前記Via プラグが形成された第2の絶縁膜の上面全面に第2の配線層に相当する第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜に第2の配線溝を形成する工程と、
前記第2の配線溝を含む第3の絶縁膜の上面全面に第3のバリアメタルを前記第2のバリアメタルより薄く形成する工程と、
前記第3のバリアメタルの上面全面に第3の金属膜を形成する工程と、
前記第3の金属膜および前記第3のバリアメタルのうちで前記第3の絶縁膜の上面に堆積されている部分を除去することにより、前記第2の配線溝の内部に第2の配線層を残す工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1、2、4のいずれか1項に記載の半導体装置を製造する際、
半導体基板上に第1の配線層に相当する第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜に第1の配線溝を形成する工程と、
前記第1の配線溝を含む第1の絶縁膜の上面全面に第1のバリアメタルを形成する工程と、
前記第1のバリアメタルの上面全面に第1の金属膜を形成する工程と、
前記第1の金属膜および前記第1のバリアメタルのうちで前記第1の配線溝の内部以外の部分を除去して第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜に接続孔を形成する工程と、
前記接続孔の内面に第2のバリアメタルを形成する工程と、
前記接続孔を含む第2の絶縁膜の上面全面に第2の配線層に相当する第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜に第2の配線溝を形成すると同時に前記接続孔を再形成する工程と、
前記接続孔の内面の前記第2のバリアメタルの表面及び第2の配線溝を含む第3の絶縁膜の上面全面に前記第2のバリアメタルより薄く第3のバリアメタルを形成する工程と、
前記第3のバリアメタルの上面全面に第3の金属膜を形成する工程と、
前記第3の金属膜および前記第3のバリアメタルのうちで前記第3の絶縁膜の上面に堆積されている部分を除去することにより、前記接続孔の内部にVia プラグを残すとともに前記第2の配線溝の内部に第2の配線層を残す工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に形成された第1の絶縁膜層に形成された第1の配線溝の内部に第1のバリアメタルを介して埋め込まれた第1の金属配線と、
前記第1の金属配線上に形成された第2の絶縁膜層と、
前記第2の絶縁膜層に形成されたVia ホールの内部に第2のバリアメタルを介して埋め込まれた金属からなるVia プラグと、
前記Via プラグが埋め込まれた第2の絶縁膜層上に形成された第3の絶縁膜層と、
前記第3の絶縁膜層に形成された第2の配線溝の内部に前記第2のバリアメタルとは異なった材料の第3のバリアメタルを介して埋め込まれた第2の金属配線
とを具備することを特徴とする半導体装置。 - 前記第2のバリアメタルはTi/TiN積層膜であり、前記第3のバリアメタルはTa膜であることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。
- 前記Via プラグ及び前記第2の金属配線は、シングルダマシーンプロセスにより別々の工程で形成されたことを特徴とする請求項7または8記載の半導体装置。
- 前記Via プラグ及び前記第2の金属配線は、デュアルダマシーンプロセスにより同じ工程で形成されたことを特徴とする請求項7または8記載の半導体装置。
- 前記第2のバリアメタルの膜厚が前記第3のバリアメタルの膜厚よりも厚くなっていることを特徴とする請求項7乃至10のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 請求項7乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置を製造する際、
半導体基板上に第1の配線層に相当する第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜に第1の配線溝を形成する工程と、
前記第1の配線溝を含む第1の絶縁膜の上面全面に第1のバリアメタルを形成する工程と、
前記第1のバリアメタルの上面全面に第1の金属膜を形成する工程と、
前記第1の金属膜および前記第1のバリアメタルのうちで前記第1の配線溝の内部以外の部分を除去して第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜に接続孔を形成する工程と、
前記接続孔を含む第2の絶縁膜の上面全面に第2のバリアメタルを形成する工程と、
前記第2のバリアメタルの上面全面に第2の金属膜を形成する工程と、
前記第2の金属膜および前記第2のバリアメタルのうちで前記接続孔の内部以外の部分を除去してVia プラグを形成する工程と、
前記Via プラグが形成された第2の絶縁膜の上面全面に第2の配線層に相当する第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜に第2の配線溝を形成する工程と、
前記第2の配線溝を含む第3の絶縁膜の上面全面に前記第1のバリアメタルとは異なる材料の第3のバリアメタルを形成する工程と、
前記第3のバリアメタルの上面全面に第3の金属膜を形成する工程と、
前記第3の金属膜および前記第3のバリアメタルのうちで前記第3の絶縁膜の上面に堆積されている部分を除去することにより、前記第2の配線溝の内部に第2の配線層を残す工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項請求項7、8、10のいずれか1項に記載の半導体装置を製造する際、
半導体基板上に第1の配線層に相当する第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜に第1の配線溝を形成する工程と、
前記第1の配線溝を含む第1の絶縁膜の上面全面に第1のバリアメタルを形成する工程と、
前記第1のバリアメタルの上面全面に第1の金属膜を形成する工程と、
前記第1の金属膜および前記第1のバリアメタルのうちで前記第1の配線溝の内部以外の部分を除去して第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜に接続孔を形成する工程と、
前記接続孔の内面に第2のバリアメタルを形成する工程と、
前記接続孔を含む第2の絶縁膜の上面全面に第2の配線層に相当する第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜に第2の配線溝を形成すると同時に前記接続孔を再形成する工程と、
前記接続孔の内面の前記第2のバリアメタルの表面及び第2の配線溝を含む第3の絶縁膜の上面全面に前記第2のバリアメタルとは異なる材料の第3のバリアメタルを形成する工程と、
前記第3のバリアメタルの上面全面に第3の金属膜を形成する工程と、
前記第3の金属膜および前記第3のバリアメタルのうちで前記第3の絶縁膜の上面に堆積されている部分を除去することにより、前記接続孔の内部にVia プラグを残すとともに前記第2の配線溝の内部に第2の配線層を残す工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に形成された第1の絶縁膜層に形成された第1の配線溝の内部に第1のバリアメタルを介して埋め込まれた第1の金属配線と、
前記第1の金属配線上に形成された第2の絶縁膜層と、
前記第2の絶縁膜層に形成されたVia ホールの内部に第2のバリアメタルを介して埋め込まれた金属からなるVia プラグと、
前記Via プラグが埋め込まれた第2の絶縁膜層上に形成された第3の絶縁膜層と、
前記第3の絶縁膜層に形成された第2の配線溝の内部に前記第2のバリアメタルとは異なったプロセスで成膜された第3のバリアメタルを介して埋め込まれた第2の金属配線
とを具備することを特徴とする半導体装置。 - 前記第2のバリアメタルはCVD法により成膜され、前記第3のバリアメタルはスパッタ法により成膜されていることを特徴とする請求項14記載の半導体装置。
- 前記Via プラグ及び前記第2の金属配線は、シングルダマシーンプロセスにより別々の工程で形成されたことを特徴とする請求項14または15記載の半導体装置。
- 前記Via プラグ及び前記第2の金属配線は、デュアルダマシーンプロセスにより同じ工程で形成されたことを特徴とする請求項14または15記載の半導体装置。
- 前記第2のバリアメタルと前記第3のバリアメタルとは、膜厚あるいは材料が互いに異なることを特徴とする請求項14乃至17のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 請求項14乃至16のいずれか1項に記載の半導体装置を製造する際、
半導体基板上に第1の配線層に相当する第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜に第1の配線溝を形成する工程と、
前記第1の配線溝を含む第1の絶縁膜の上面全面に第1のバリアメタルを形成する工程と、
前記第1のバリアメタルの上面全面に第1の金属膜を形成する工程と、
前記第1の金属膜および前記第1のバリアメタルのうちで前記第1の配線溝の内部以外の部分を除去して第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜に接続孔を形成する工程と、
前記接続孔を含む第2の絶縁膜の上面全面に第2のバリアメタルを形成する工程と、
前記第2のバリアメタルの上面全面に第2の金属膜を形成する工程と、
前記第2の金属膜および前記第2のバリアメタルのうちで前記接続孔の内部以外の部分を除去してVia プラグを形成する工程と、
前記Via プラグが形成された第2の絶縁膜の上面全面に第2の配線層に相当する第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜に第2の配線溝を形成する工程と、
前記第2の配線溝を含む第3の絶縁膜の上面全面に前記第1のバリアメタルとは異なる成膜方法により第3のバリアメタルを形成する工程と、
前記第3のバリアメタルの上面全面に第3の金属膜を形成する工程と、
前記第3の金属膜および前記第3のバリアメタルのうちで前記第3の絶縁膜の上面に堆積されている部分を除去することにより、前記第2の配線溝の内部に第2の配線層を残す工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項14、15、17のいずれか1項に記載の半導体装置を製造する際、
半導体基板上に第1の配線層に相当する第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜に第1の配線溝を形成する工程と、
前記第1の配線溝を含む第1の絶縁膜の上面全面に第1のバリアメタルを形成する工程と、
前記第1のバリアメタルの上面全面に第1の金属膜を形成する工程と、
前記第1の金属膜および前記第1のバリアメタルのうちで前記第1の配線溝の内部以外の部分を除去して第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜に接続孔を形成する工程と、
前記接続孔の内面に第2のバリアメタルを形成する工程と、
前記接続孔を含む第2の絶縁膜の上面全面に第2の配線層に相当する第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜に第2の配線溝を形成すると同時に前記接続孔を再形成する工程と、
前記接続孔の内面の前記第2のバリアメタルの表面及び第2の配線溝を含む第3の絶縁膜の上面全面に前記第2のバリアメタルとは異なる成膜方法により第3のバリアメタルを形成する工程と、
前記第3のバリアメタルの上面全面に第3の金属膜を形成する工程と、
前記第3の金属膜および前記第3のバリアメタルのうちで前記第3の絶縁膜の上面に堆積されている部分を除去することにより、前記接続孔の内部にVia プラグを残すとともに前記第2の配線溝の内部に第2の配線層を残す工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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