JP2004356315A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

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JP2004356315A
JP2004356315A JP2003151221A JP2003151221A JP2004356315A JP 2004356315 A JP2004356315 A JP 2004356315A JP 2003151221 A JP2003151221 A JP 2003151221A JP 2003151221 A JP2003151221 A JP 2003151221A JP 2004356315 A JP2004356315 A JP 2004356315A
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insulating film
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Gen Okazaki
玄 岡崎
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve electromigration (EM) resistance and to prevent diffusion of a wiring material due to alignment deviation without increasing capacity between wirings. <P>SOLUTION: A lower layer wiring 16 is formed in the first groove 14a of a first interlayer insulating film 14. An upper face of the lower layer wiring 16 is arranged between the upper face and the lower face of a first barrier insulating film 13. A second barrier metal film 17 is formed in a region except for a region where a connection hole 22b on the upper face of the lower layer wiring 16 is formed. An upper layer wiring 24 and a wiring connection part 24a are formed in a second groove 22a and a connection hole 22b in a second interlayer insulating film 22. The first barrier insulating film 13 is arranged between the wiring connection part 24a and a first insulating film 12 even if alignment deviation occurs. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の配線層を有する半導体装置及びその製造方法に関し、特に、下層配線及び上層配線と、該下層配線と上層配線とを接続する配線接続部とが層間絶縁膜に埋め込み形成された半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細化及び高速化の要求により、半導体集積回路等に用いられる配線に対して、抵抗率の低下と信頼性の向上とが求められている。特に配線を構成する材料として、従来はアルミニウムが用いられていたが、近年では、アルミニウムよりも低抵抗で且つ信頼性が高い配線材料として銅が利用されている。
【0003】
ここで、配線材料に銅を用いる場合、銅原子は層間絶縁膜を構成する酸化シリコンに拡散し易い性質があるため、配線溝と接続孔部との底面及び側面に、例えば窒化タンタル(TaN)等、銅原子に対してバリア性を有する材料からなるバリアメタル膜を形成することにより、配線材料が層間絶縁膜へと拡散することを防止する必要がある。
【0004】
(第1従来例)
図10は、ダマシン法により形成された第1従来例の半導体装置を断面構成図である。図10に示すように、第1従来例の半導体装置は、半導体集積回路が設けられた半導体基板101上には、第1の層間絶縁膜として、上部に第1の溝部102aが設けられた第1のシリコン酸化膜102が形成されており、第1の溝部102aの内部には、側面及び底面を覆う窒化タンタルからなる第1のバリアメタル膜103を介して、銅からなる下層配線104が形成されている。
【0005】
また、下層配線104の上を含む第1のシリコン酸化膜102の上には、第1のシリコン窒化膜105、第2のシリコン酸化膜106、第2のシリコン窒化膜107及び第3のシリコン酸化膜108が順次積層された積層膜として第2の層間絶縁膜109が形成されている。第2の層間絶縁膜109には、上層配線用の第2の溝部109aと、該第2の溝部109aの底面から下層配線104の上面にまで達する接続孔部109bとが設けられている。第2の溝部109a及び接続孔部109bの内部には、それぞれの側面及び底面を覆う窒化タンタルからなる第2のバリアメタル膜110を介して、配線材料である銅が埋め込まれることにより、上層配線111と、該上層配線111と下層配線104とを接続する配線接続部111aとが形成されている。
【0006】
ここで、第1のバリアメタル膜103及び第2のバリアメタル膜110を構成する窒化タンタルは銅原子に対するバリア性(銅原子の拡散を防止する性質)を有する導電性材料であるため、第1のバリアメタル膜103及び第2のバリアメタル膜110により、下層配線104及び上層配線111を構成する銅が第1のシリコン酸化膜102、第2のシリコン酸化膜106及び第3のシリコン酸化膜108へと拡散することが防止される。
【0007】
また、窒化シリコンは銅原子に対するバリア性を持つ絶縁性材料であるため、下層配線104と第2のシリコン酸化膜106との間には第1のシリコン窒化膜105が設けられているので、下層配線104を構成する銅原子が第2のシリコン酸化膜106へと拡散することを防止できる。
【0008】
第1従来例の半導体装置において、第2の溝部109a及び接続孔部109bは、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法とを用いて第2の層間絶縁膜109にパターン形成され、フォトリソグラフィ工程においては、接続孔部109bを形成するための開口領域が下層配線104の形成領域に含まれるように位置あわせされる。
【0009】
ところで、下層配線104と上層配線111との間に高密度の電流が流れると、配線材料である銅原子が電子流により移動するエレクトロマイグレーション(EM:Electro−Migration)と呼ばれる現象が生じる。
【0010】
第1従来例の半導体装置において、下層配線104と配線接続部111aとの間には、第2のバリアメタル膜110が配置されているため、EMによる銅原子の移動が第2のバリアメタル膜110により妨げられて下層配線104と配線接続部111aとの間にボイドが成長するので、断線などの不良の原因となる。
【0011】
このように、第1従来例の半導体装置はエレクトロマイグレーションによるボイドが発生しやすい(即ち、EM耐性が低い)という問題を有している。
【0012】
このような問題に対して、第2のバリアメタル膜110における接続孔部109bの底面部分を除去して下層配線と上層配線と連続的に形成にした半導体装置(例えば、特許文献1参照)や、第2のバリアメタル膜110における接続孔部109bの底面部分を、銅原子が移動可能な程度にまで薄膜化された半導体装置(例えば、特許文献2参照)が知られている。
【0013】
(第2従来例)
以下に、第2従来例として、特許文献1に記載の半導体装置について図面を参照しながら説明する。
【0014】
図11(a)は、第2従来例の半導体装置の断面構成を示している。図11(a)に示すように、第2従来例の半導体装置は、第2のバリアメタル膜110における下層配線104と配線接続部111aとの間の部分と、第2のシリコン窒化膜107の上側部分とが除去されている。このような構成は、第2の層間絶縁膜109の上に、第2の溝部109a及び接続孔部109bの上を含む全面にわたって第2のバリアメタル膜110を形成した後、第2のバリアメタル膜110に対する異方性エッチングを行い、第2のバリアメタル膜110における第2の溝部109a及び接続孔部109bのそれぞれの底面上に形成された部分を除去することにより実現される。
【0015】
第2従来例の構成によると、下層配線104と配線接続部111aとの間にバリアメタル膜が形成されていないため、下層配線104と上層配線111との間に高密度の電流が生じても、EMによる銅原子の移動が妨げられないのでボイドの発生が抑制される。従って、第2従来例の半導体装置ではEM耐性が向上されている。
【0016】
しかし、第2従来例の半導体装置において、フォトリソグラフィ工程にアライメントずれが生じた場合に銅原子の拡散が生じてしまうという問題が生じる。以下に、第2従来例の半導体装置において、アライメントずれが生じた場合について具体的に説明する。
【0017】
図11(b)は、接続孔部109bをパターニングするためのフォトリソグラフィ工程において、フォトマスク間のアライメントずれが生じた場合の断面構成図である。図11(b)に示すように、アライメントずれにより、接続孔部109bの一部分が下層配線104からはみ出して配置されると、配線接続部111aの一部分が第1のシリコン酸化膜102と接して配置される。
【0018】
従って、配線接続部111aと第1のシリコン酸化膜102との間には銅原子に対してバリア性を持つ材料が配置されないため、配線材料の銅原子が第1のシリコン酸化膜102へと拡散し、接続不良や断線などの原因となる。
【0019】
このように、第2従来例の半導体装置は、配線接続部111aと下層配線104との間を配線材料の銅原子が移動できるようにしてEM耐性を確保しているため、接続孔部109bの底面には第2のバリアメタル膜110がないので、アライメントずれが生じた場合に銅原子が第1のシリコン酸化膜102へと拡散して半導体装置の信頼性を劣化させてしまう。
【0020】
このような問題に対し、第1のシリコン酸化膜102の上に、配線材料に対してバリア性を持つ絶縁膜を形成した後に上層配線111用の第2の溝部109aと接続孔部109bとをパターニングするように構成された半導体装置が知られている(例えば、特許文献3参照)。
【0021】
(第3従来例)
以下に、第3従来例として、特許文献3に記載の半導体装置について図面を参照しながら説明する。
【0022】
図12(a)は、第3従来例の半導体記憶装置の断面構成を示している。図12(a)に示すように、第3従来例の半導体装置は、第1のシリコン酸化膜102の上に、銅原子に対してバリア性を有する絶縁性材料からなるバリア絶縁膜として第1のシリコン窒化膜112を設け、第1のシリコン酸化膜102と第1のシリコン窒化膜112とからなる積層膜を第1の層間絶縁膜113として用い、該第1の層間絶縁膜113に設けた第1の溝部113aに下層配線104が設けられている。さらに、第2の層間絶縁膜109Aとして、炭化シリコン(SiC)からなるSiC膜114、第2のシリコン酸化膜106、第2のシリコン窒化膜107、第3のシリコン酸化膜108及び第2のシリコン窒化膜115が順次積層された積層膜が形成されている。
【0023】
ここで、第1の層間絶縁膜113の最上層を構成する第1のシリコン窒化膜112は、接続孔部109bを形成する際にアライメントずれが生じた場合に、配線接続部111aの配線材料である銅原子が第1のシリコン酸化膜102へと拡散することを防止している。
【0024】
また、第2の層間絶縁膜109Aの最下層を構成するSiC膜114は、下層配線104の配線材料である銅原子が第2のシリコン酸化膜106へと拡散することを防止すると共に、接続孔部109bを形成する際にアライメントずれが生じた場合に、第1のシリコン窒化膜112との選択エッチングが可能としている。以下に、第3従来例の半導体装置の製造方法においてアライメントずれ生じた場合について具体的に説明する。
【0025】
図12(b)は、第3従来例の半導体装置の製造方法において、接続孔部109bをパターニングするためのフォトリソグラフィ工程にアライメントずれが生じた場合を示す断面構成図である。図12(b)に示すように、アライメントずれにより接続孔部109bの一部分が下層配線104からはみ出して第1の層間絶縁膜113の上に配置された場合であっても、配線接続部111aと第1のシリコン酸化膜102との間には第1のシリコン窒化膜112が配置されているため、配線接続部111aを構成する銅は第1のシリコン酸化膜102に拡散されない。
【0026】
【特許文献1】
特開2001−284449号公報
【特許文献2】
特開2002−176099号公報
【特許文献3】
特開2002−064140号公報
【0027】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記第3従来例によると、配線材料の拡散を防止するための絶縁膜として、下層配線104から第2のシリコン酸化膜106への拡散を防ぐために第2の層間絶縁膜109Aの最下層に設けられたSiC膜114と、配線接続部111aから第1のシリコン酸化膜102への拡散を防ぐために第1の層間絶縁膜113の最上層に設けられた第1のシリコン窒化膜112とが必要である。ここで、窒化シリコン及び炭化シリコンは酸化シリコンと比べて誘電率が高いため、第1のシリコン窒化膜112とSiC膜114とのそれぞれについて銅原子の拡散を防止するために十分な膜厚を確保すると、第2従来例と配線間の容量が比べて増大してしまう。
【0028】
このように、第3従来例の半導体装置は、配線材料が下層配線と配線接続部との間を移動できるようにしてEM耐性を向上させた場合に、アライメントずれが生じても配線接続部111aからの配線材料の拡散を防止できるようにすると、拡散防止用の絶縁膜の膜厚が大きくなってしまうため、配線間の容量が増大するいう問題を有している。
【0029】
本発明は、前記従来の問題を解決し、EM耐性の向上と、アライメントずれによる配線材料の拡散の防止とを、配線間の容量を増大させることなく実現できるようにすることを目的とする。
【0030】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、層間絶縁膜の最上層には拡散防止絶縁層を設け、下層配線の上面には拡散防止膜を設けると共に、下層配線の上面が拡散防止絶縁層の上面と下面との間に位置するように設ける構成とする。
【0031】
具体的に、本発明に係る半導体装置は、半導体領域の上方に形成され、第1の配線材料からなる下層配線と、半導体領域上に形成され、半導体領域と下層配線との間を絶縁する第1の層間絶縁膜と、下層配線の上方に形成され、第2の配線材料からなる上層配線と、第2の配線材料からなり、下層配線の上面と上層配線の下面との間を接続する配線接続部と、第1の層間絶縁膜の上に形成され、下層配線と上層配線との間を絶縁する第2の層間絶縁膜と、下層配線の上面における配線接続部が形成される部分を除く領域に形成され、第1の配線材料の拡散を防止する第1の拡散防止膜とを備え、第1の層間絶縁膜は、第1の絶縁層と該第1の絶縁層の上に形成され且つ第1の配線材料及び第2の配線材料の拡散を防止する第1の拡散防止絶縁層とからなり、下層配線の上面は、第1の拡散防止絶縁層の上面と下面との間に位置するように設けられている。
【0032】
本発明の半導体装置によると、下層配線の上における配線接続部が形成される領域を除く領域に形成された第1の拡散防止膜を備えているため、下層配線と第2の層間絶縁膜との間においては、下層配線を構成する配線材料が第2の層間絶縁膜へと拡散されないので、第3従来例のように第2の層間絶縁膜の最下層に拡散防止用の絶縁膜を設ける必要がなく、配線間の容量を増大させることがない。また、下層配線と配線接続部との間には、第1の拡散防止膜が存在しないため、配線材料が移動できるのでEM耐性が向上されている。さらに、下層配線の上面は、第1の拡散防止絶縁層の上面と下面との間に配置されているため、アライメントずれにより配線接続部の一部分が第1の層間絶縁膜の上に形成された場合であっても、配線接続部を構成する配線材料が第1の絶縁層へと拡散することを防止できる。
【0033】
本発明の半導体装置において、第1の拡散防止膜は導電性材料からなることが好ましい。
【0034】
このようにすると、下層配線と上層配線との間の容量をさらに低減することができる。
【0035】
本発明の半導体装置において、第1の配線材料及び第2の配線材料は銅又は銅を含む合金であることが好ましい。
【0036】
このようにすると、下層配線、上層配線及び配線接続部を低抵抗に且つ信頼性良く形成することができる。
【0037】
本発明の半導体装置において、第1の拡散防止膜を構成する材料はタンタル、窒化タンタル、窒化タングステン及び窒化珪化タンタルのうちのいずれか1つであることが好ましい。
【0038】
このようにすると、第1の拡散防止膜により配線材料である銅原子の拡散を確実に防止できる。
【0039】
本発明の半導体装置において、第1の拡散防止絶縁層を構成する材料は窒化シリコン又は炭化シリコンであることが好ましい。
【0040】
このようにすると、第1の拡散防止絶縁層により配線材料である銅原子の拡散を確実に防止できる。
【0041】
本発明の半導体装置は、上層配線の上を覆い且つ第2の配線材料の拡散を防止する第2の拡散防止膜をさらに備え、第2の層間絶縁膜は、第2の絶縁層と、該第2の絶縁層の上に形成され且つ第2の配線材料の拡散を防止する第2の拡散防止絶縁層を有し、上層配線の上面は、第2の拡散防止絶縁層における上面の位置と下面の位置との間に位置するように設けられていることが好ましい。
【0042】
このようにすると、上層配線の上に他の配線を形成する場合においても、配線間の容量を増大させることなく、EM耐性の向上をし、且つアライメントずれによる配線材料の拡散を防止することができる。
【0043】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体領域上に第1の絶縁層及び第1の拡散防止絶縁層を順次積層して第1の層間絶縁膜を形成する工程と、第1の層間絶縁膜に溝部を形成する工程と、溝部の内部に、その上面が第1の拡散防止絶縁層の上面と下面との間に位置するように下層配線を形成する工程と、下層配線の上に第1の拡散防止膜を形成する工程と、第1の拡散防止絶縁層の上に第1の拡散防止膜の上を含む全面にわたって、第2の層間絶縁膜を形成する工程と、第2の層間絶縁膜に、該第2の層間絶縁膜を貫通する開口部を形成して第1の拡散防止膜を露出する工程と、開口部に露出した第1の拡散防止膜を除去して開口部の底面に下層配線を露出する工程と、開口部の内部に配線接続部及び上層配線を形成する工程とを備えている。
【0044】
本発明の半導体装置の製造方法によると、その上面が第1の拡散防止絶縁層の上面と下面との間に位置するように下層配線を形成する工程とを備えているため、第2の層間絶縁膜に開口部を形成する際にアライメントずれが生じて開口部の一部分が第1の層間絶縁膜の上側に配置された場合であっても、開口部に下層配線を露出する工程では下層配線の上面が露出した時点でエッチングを停止するので、開口部の底面には第1の絶縁層が露出されず、従って第1の拡散防止絶縁層により配線接続部から第2の配線材料が第1の層間絶縁膜へと拡散することを防止できる。さらに、下層配線の上に第1の拡散防止膜を形成する工程と、開口部に露出した第1の拡散防止膜を除去して開口部の底面に下層配線を露出する工程とを備えているため、第2の層間絶縁膜の最下層に拡散防止用の絶縁層を形成しなくても下層配線から第1の配線材料が第2の層間絶縁膜へと拡散することを防止できると共に、配線材料が下層配線と配線接続部との間を移動できるためEM耐性が向上する。従って、配線間の容量を増大させることなく、EM耐性の向上とアライメントずれによる配線材料の拡散の防止とを実現できる。
【0045】
本発明の半導体装置の製造方法は、下層配線を露出する工程において、第1の拡散防止膜を構成する材料と第1の拡散防止絶縁層を構成する材料とをエッチング可能なエッチング剤を用いて、開口部に露出した第1の拡散防止膜を除去することが好ましい。
【0046】
本発明の半導体装置の製造方法は、下層配線を露出する工程において、第1の拡散防止絶縁層を構成する材料に対するエッチング速度よりも、第1の拡散防止膜を構成する材料に対するエッチング速度の方が大きいエッチング剤を用いて、開口部に露出した第1の拡散防止膜をエッチング除去することが好ましい。
【0047】
このようにすると、下層配線を露出する工程において第1の拡散防止絶縁層がほとんどエッチングされないため、第1の拡散防止絶縁層の膜厚を薄くしても開口部の底面において配線材料の拡散を防止するために十分な厚さを確保できるので、配線間の容量を低減できる。
【0048】
本発明の半導体装置の製造方法において、下層配線を形成する工程は、第1の層間絶縁膜の上に溝部の上を含む全面にわたって下層配線形成膜を形成する工程と、下層配線形成膜を、上面が第1の拡散防止絶縁層の上面と下面との間に位置する程度にまで研磨除去することにより、下層配線形成膜から下層配線を形成する工程とを含むことが好ましい。
【0049】
このようにすると、下層配線形成膜の研磨条件を適宜設定することにより下層配線の上面の位置を第1の拡散防止絶縁層の上面と下面との間に位置するよう調整できるため、下層配線を低コストに且つ確実に形成できる。
【0050】
本発明の半導体装置の製造方法において、第1の拡散防止膜を形成する工程は、第1の拡散防止絶縁層の上に、下層配線の上を含む全面にわたって導電性材料からなる第1の拡散防止膜形成膜を形成する工程と、第1の拡散防止絶縁層の上面が露出するように第1の拡散防止膜形成膜の上部を除去することにより、第1の拡散防止膜形成膜から第1の拡散防止膜を形成する工程とを含むことが好ましい。
【0051】
このようにすると、第1の拡散防止膜を第1の層間絶縁膜の溝部に対して自己整合的に形成することができるため、第1の拡散防止膜を低コストに且つ確実に形成することができる。
【0052】
本発明の半導体装置の製造方法は、上層配線を形成する工程よりも後に、上層配線の上に第2の拡散防止膜を形成する工程をさらに備え、第2の層間絶縁膜を形成する工程は、第1の層間絶縁膜の上に第2の絶縁層と第2の拡散防止絶縁層とを順次形成する工程を含み、上層配線を形成する工程は、第2の層間絶縁膜の上に開口部の内部を含む全面にわたって上層配線形成膜を形成する工程と、上層配線形成膜を、上面が第2の拡散防止絶縁層の上面と下面との間に位置する程度にまで研磨除去することにより、上層配線形成膜から上層配線を形成する工程とを含むことが好ましい。
【0053】
このようにすると、上層配線の上に他の配線を形成する場合においても、配線間の容量を増大させることなく、EM耐性の向上をし、且つアライメントずれによる配線材料の拡散を防止することができる。
【0054】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。
【0055】
図1(a)は第1の実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。図1(a)に示すように、第1の実施形態に係る半導体装置は、例えば、シリコンからなる半導体基板11の上に、膜厚が約250nmの酸化シリコンからなる第1の絶縁膜12と、膜厚が約70nmの窒化シリコンからなる第1のバリア絶縁膜(第1の拡散防止絶縁層)13とが順次積層されている。ここで、第1の絶縁膜12及び第1のバリア絶縁膜13は第1の層間絶縁膜14を構成し、該第1の層間絶縁膜14の上部には、下層配線を形成するため配線溝として、第1のバリア絶縁膜13の上面からの深さが約250nmで幅が約240nmの第1の溝部(溝部)14aが設けられている。
【0056】
第1の溝部14aの壁面及び底面には、膜厚が約20nmの窒化タンタルからなる第1のバリアメタル膜15が設けられており、第1の溝部14aの内部には、配線材料である銅が埋め込まれることにより、下層配線16が形成されている。
【0057】
なお、図示は省略しているが、半導体基板11の上面には、トランジスタ等からなる半導体集積回路と、該半導体集積回路の表面を覆う保護膜とが設けられており、保護膜の上面にはトランジスタ等の電極となるタングステンプラグが設けられている。下層配線16は、このタングステンプラグを介して半導体基板11上の半導体集積回路と接続されている。また、第1の層間絶縁膜14は下層配線16と半導体集積回路との間を絶縁している。
【0058】
下層配線16の上面は、第1の溝部14aにおける第1のバリア絶縁膜13の上面からの深さが10nm〜20nm程度の位置に配置されている。第1の溝部14aにおける下層配線16の上における後述の配線接続部が形成される領域を除く領域には、第1のバリア絶縁膜13の上面よりも下側の部分を埋めるように第2のバリアメタル膜(第1の拡散防止膜)17が設けられている。ここで、第2のバリアメタル膜17の膜厚は、第1のバリア絶縁膜13の上面から下層配線16の上面までの深さとほぼ一致する10nm〜20nm程度であるため、銅原子に対するバリア性が確保されている。
【0059】
また、第2のバリアメタル膜17の上を含む第1の層間絶縁膜14の上には、膜厚が約200nmの酸化シリコンからなる第2の絶縁膜18、膜厚が約70nmの窒化シリコンからなる第2のバリア絶縁膜19、膜厚が約200nmの酸化シリコンからなる第3の絶縁膜20及び膜厚が約70nmの窒化シリコンからなる第3のバリア絶縁膜(第2の拡散防止絶縁層)21が順次積層されている。
【0060】
ここで、第2の絶縁膜18、第2のバリア絶縁膜19、第3の絶縁膜20及び第3のバリア絶縁膜21は第2の層間絶縁膜22を構成し、該第2の層間絶縁膜22の上部、即ち、第3の絶縁膜20と第3のバリア絶縁膜21とには、第3のバリア絶縁膜21の上面からの深さが約250nmで幅が約240nmの第2の溝部22aが設けられると共に、第2の層間絶縁膜22の下部、即ち、第2の絶縁膜18と第2のバリア絶縁膜19とには、第2の溝部22aの底面から下層配線16の上面に達する接続孔部22bが設けられている。
【0061】
第2の層間絶縁膜22における第2の溝部22a及び接続孔部22bの壁面には、膜厚が約20nmの窒化タンタルからなる第3のバリアメタル膜23が形成されており、さらに、第2の溝部22a及び接続孔部22bの内部には、配線材料である銅が埋め込まれることにより、上層配線24及び配線接続部24aがそれぞれ形成されている。
【0062】
ここで、上層配線24の上面は、第2の溝部22aにおける第3のバリア絶縁膜21の上面からの深さが10nm〜20nm程度の位置に配置されており、第2の溝部22aにおける上層配線24の上には、膜厚が10〜20nm程度の窒化タンタルからなる第4のバリアメタル膜(第2の拡散防止膜)25が設けられている。
【0063】
以上のように構成された第1の実施形態に係る半導体装置において、第1のバリア絶縁膜13、第2のバリア絶縁膜19及び第3のバリア絶縁膜21は、銅原子に対するバリア性(銅原子が拡散することを防止可能な性質)を有する絶縁性材料であるシリコン窒化膜によって構成されており、且つ第1のバリアメタル膜15、第2のバリアメタル膜17、第3のバリアメタル膜23及び第4のバリアメタル膜25は、銅原子に対するバリア性を有する導電性材料である窒化タンタルによって構成されているため、下層配線16及び上層配線24の配線材料が第1の層間絶縁膜14及び第2の層間絶縁膜22へと拡散することを防止できる。
【0064】
具体的に、下層配線16の側面及び底面は第1のバリアメタル膜15により覆われているため、下層配線16を構成する配線材料である銅原子が第1の絶縁膜12へと拡散することが防止されており、また、下層配線16の上面は、配線接続部24aが形成される領域を除いて、第2のバリアメタル膜17により覆われているため、銅原子が第2の絶縁膜18へと拡散することが防止されている。
【0065】
また、上層配線24及び配線接続部24aの側面は第3のバリアメタル膜23により覆われているため、上層配線24及び配線接続部24aを構成する銅原子がそれぞれ第3の絶縁膜20及び第2の絶縁膜18へと拡散することが防止されている。
【0066】
さらに、上層配線24は底面における配線接続部24aが形成領域された領域を除く部分には、第2のバリア絶縁膜19が設けられているため、窒化シリコンは銅原子に対して拡散を防止するバリア性を有する絶縁性材料であるので、上層配線24を構成する配線材料である銅原子が第2の絶縁膜18へと拡散することが防止されている。
【0067】
また、上層配線24の上に形成された第4のバリアメタル膜25と、第2の層間絶縁膜22の最上層を構成する第3のバリア絶縁膜21とにより、上層配線24の上に他の層間絶縁膜を介してさらに他の配線を形成する場合においても、上層配線24及びその上に形成される他の配線を構成する配線材料の拡散を防止することができる。
【0068】
ここで、第1の実施形態に係る半導体装置では、第2のバリアメタル膜17を用いて下層配線16から第2の絶縁膜18への配線材料の拡散を防止できるため、第2の層間絶縁膜22の最下層にバリア性の絶縁膜を形成する必要がないので、下層配線16と上層配線24との間の容量が第3の従来例の半導体装置よりも低減されている。
【0069】
また、下層配線16と配線接続部24aとの間にはバリアメタル膜が無く、配線材料である銅原子が下層配線16と配線接続部24aとの間を移動できるように構成されているため、エレクトロマイグレーション(EM)によるボイドの成長を抑制でき、EM耐性が向上されている。
【0070】
第1の実施形態の特徴は、半導体基板11と下層配線16との間を絶縁する第1の層間絶縁膜113として、第1の絶縁膜12と第1のバリア絶縁膜13とが順次積層された積層膜が用いられており、下層配線16の上面は、第1のバリア絶縁膜13の上面と下面との間に配置され、且つ下層配線16の上面における配線接続部24aが形成される領域を除く領域の上には第1のバリア絶縁膜13が配置されていることを特徴とする。
【0071】
このような構成により、接続孔部22bを形成する際にアライメントずれが生じた場合であっても、第1のバリア絶縁膜13により配線接続部24aを構成する配線材料が第1の絶縁膜12へと拡散することを防止できる。
【0072】
以下に、第1の実施形態の半導体装置において、接続孔部22bを形成する際にアライメントずれが生じた場合について図面を参照しながら説明する。
【0073】
図1(b)は、図1(a)に示す半導体装置において、接続孔部22bを形成する際に、アライメントずれにより接続孔部22bの一部分が下層配線16の側方にはみ出して第1の層間絶縁膜14の上側に配置された場合の断面構成を示している。
【0074】
図1(b)に示すように、接続孔部22bの一部分が第1のバリア絶縁膜13の上に配置された場合、接続孔部22bの底面は、下層配線16の上面と一致するように配置される。この際、第1のバリア絶縁膜13において、接続孔部22bと対向する領域では、下層配線16の上面よりも上側の部分が除去されている。
【0075】
ここで、第1の実施形態において、第1のバリア絶縁膜13の膜厚は約70nmであり、第1のバリア絶縁膜13の上面から下層配線16の上面までの深さが10〜20nmであるため、第1のバリア絶縁膜13における接続孔部22bと対向する領域の厚さ50〜60nm程度となるので、第1のバリア絶縁膜13は、銅原子に対して十分なバリア性が確保される。従って、第1のバリア絶縁膜13により、配線接続部24aから第1の絶縁膜12への銅原子の拡散が防止されている。
【0076】
以上説明したように、第1の実施形態に係る半導体装置によると、下層配線16の上面は、配線接続部24aが形成される領域を除いて、第2のバリアメタル膜17により覆われているため、EM耐性を向上することができると共に、第2の層間絶縁膜22の最下層にバリア性の絶縁膜を形成する必要がないので配線間の容量が増大することがない。さらに、下層配線16の上面は、第1のバリア絶縁膜13の上面と下面との間に配置されているため、アライメントずれが生じても配線接続部24aから第1の絶縁膜12への配線材料の拡散を防止できる。
【0077】
また、第1の実施形態に係る半導体装置において、上層配線24の上面は第3のバリア絶縁膜21の上面と下面との間に配置されているため、上層配線24の上に他の配線層が形成される場合においても、下層配線16の上に上層配線24が形成される場合と同様に、アライメントずれに対応でき且つ上層配線24とその上の他の配線との間の配線間容量を低減できる。
【0078】
(第1の実施形態の製造方法)
以下に、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【0079】
図2(a)〜図2(d)、図3(a)〜図3(d)、図4(a)〜図4(d)及び図5(a)〜図5(c)は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【0080】
まず、図2(a)に示すように、図示しない半導体集積回路が設けられた半導体基板11の上に、例えば、化学気相堆積(CVD)法により、膜厚が約250nmの第1の絶縁膜12と、膜厚が約70nmの第1のバリア絶縁膜13とを順次堆積して第1の層間絶縁膜14を形成する。
【0081】
次に、図2(b)に示すように、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて第1の層間絶縁膜14をパターニングすることにより、下層配線を形成するための配線溝となる深さが約250nmで且つ幅が約240nmの第1の溝部14aを形成する。
【0082】
次に、図2(c)に示すように、スパッタ法により、第1の層間絶縁膜14上に、第1の溝部14aの底面及び壁面の上を含む全面にわたって、第1の溝部14aの底面における膜厚が約20nmとなるように第1の窒化タンタル膜15Aを形成する。
【0083】
次に、図2(d)に示すように、電界メッキ法により、第1の窒化タンタル膜15Aの上に、第1の溝部14aの内部を充填するように全面にわたって、第1の銅膜16Aを堆積する。ここで、第1の銅膜16Aを形成する工程において、メッキ金属である銅が堆積されやすいように、電界メッキ法に先立ってスパッタ法を用いて銅からなる薄膜を形成しておくことが好ましい。
【0084】
次に、図2(e)に示すように、化学的機械研磨法(CMP)法により、第1の銅膜16A及び第1の窒化タンタル膜15Aにおける第1の層間絶縁膜14の上側部分を順次除去すると共に、第1の層間絶縁膜14の上面を平坦化する。この平坦化工程において、CMP法における研磨条件を、第1のバリア絶縁膜13の上面から第1の銅膜16Aの上面までの深さが10nm〜20nm程度となるまでオーバー研磨される条件に調整する。これにより、第1の窒化タンタル膜15Aから第1のバリアメタル膜15が形成されると共に、第1の銅膜16Aから、その上面が第1のバリア絶縁膜13の上面と下面との間に配置された下層配線16が形成される。
【0085】
ここで、下層配線16の上面は、第1のバリア絶縁膜13の上面よりも下側に配置されるため、第1の溝部14aにおいて、第1のバリア絶縁膜13の上面と下層配線16の上面との間には段差が形成される。
【0086】
次に、図3(a)に示すように、スパッタ法により、第1の層間絶縁膜14の上に、下層配線16の上を含む全面にわたって、第1の層間絶縁膜14上の膜厚が約20nmとなるように第2の窒化タンタル膜17Aを形成する。これにより、第1のバリア絶縁膜13の上面と下層配線16の上面との間の領域にも第2の窒化タンタル膜17Aが形成される。
【0087】
次に、図3(b)に示すように、CMP法により、第2の窒化タンタル膜17Aにおける第1の層間絶縁膜14の上側部分を除去して第2の窒化タンタル膜17Aから第2のバリアメタル膜17を形成すると共に、第1の層間絶縁膜14の上面を平坦化する。
【0088】
ここで、下層配線16は、上面が第1のバリア絶縁膜13の上面と下面との間に配置されているため、第2の窒化タンタル膜17Aを第1の層間絶縁膜14の上面が露出するまで研磨することにより、第2のバリア絶縁膜17を第1の溝部14aに対して自己整合的に形成される。
【0089】
即ち、第2のバリアメタル膜17は、上面が第1のバリア絶縁膜13の上面とほぼ一致するように形成され、その膜厚は第1のバリア絶縁膜13の上面から下層配線16の上面までの深さである10nm〜20nm程度の厚さとなる。これにより、第2のバリアメタル膜17は、銅原子の拡散を防止するために十分な膜厚を有するように形成できる。
【0090】
次に、図3(c)に示すように、CVD法により、第1の層間絶縁膜14上に、第2のバリアメタル膜17の上を含む全面にわたって、膜厚が約200nmの第2の絶縁膜18と、膜厚が約70nmの第2のバリア絶縁膜19と、膜厚が約200nmの第3の絶縁膜20と、膜厚が約70nmの第3のバリア絶縁膜21とを順次堆積する。これにより、第1の層間絶縁膜14の上には、第2の絶縁膜18、第2のバリア絶縁膜19、第3の絶縁膜20及び第3のバリア絶縁膜21からなる第2の層間絶縁膜22が形成される。
【0091】
次に、図3(d)に示すように、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により、第2の層間絶縁膜22をパターニングして幅が約240nmで深さが約250nmの第2の溝部22aと、直径が約140nmで深さが約250nmの接続孔部22bを形成する。ここで、第2のバリア絶縁膜19は、第2の溝部22aをパターニングする際のエッチングストッパ膜となる。従って、第2の溝部22aの深さは第3のバリア絶縁膜21の上面から第2のバリア絶縁膜19の上面までの深さとなり、接続孔部22bの深さは第2のバリア絶縁膜19の上面から第2のバリアメタル膜17の上面までの深さとなる。
【0092】
なお、接続孔部22bを形成する際のフォトリソグラフィ法において、第2の層間絶縁膜22に接続孔部22bをパターニングするためのフォトマスクを位置合わせ(アライメント)して、マスクパターンは、接続孔部22b形成用の開口部の全領域が下層配線16の上面に配置されるように位置調整する。
【0093】
次に、図4(a)に示すように、スパッタ法により、第2の層間絶縁膜22の上に、第2の溝部22a及び接続孔部22bの壁面及び底面の上を含む全面にわたって、接続孔部22bの底面における膜厚が約20nmとなるように第3の窒化タンタル膜23Aを形成する。
【0094】
次に、図4(b)に示すように、ドライエッチング法により、第3の窒化タンタル膜23A及び第2のバリアメタル膜17に対する異方性エッチングを行って接続孔部22bの底面に下層配線16を露出させる。ここで、第3の窒化タンタル膜23A及び第2のバリアメタル膜17をエッチングするエッチングガスとして、窒化タンタルのドライエッチング工程において、窒化タンタルと窒化シリコンとをほぼ同一の速度で除去可能なアルゴン(Ar)ガスを用いたスパッタエッチングによって行う。
【0095】
これにより、第3の窒化タンタル膜23Aにおける第2の層間絶縁膜22の上面上に形成された部分と、第2の溝部22a及び接続孔部22bの底面上に形成された部分とが除去され、第3の窒化タンタル膜23Aから、第2の溝部22a及び接続孔部22bの壁面上を覆う第3のバリアメタル膜23が形成される。
【0096】
次に、図4(c)に示すように、スパッタ法及び電界メッキ法により、第2の層間絶縁膜22の上に、第2の溝部22a及び接続孔部22bの内部を埋めるように第2の銅膜24Aを堆積する。
【0097】
次に、図5(a)に示すように、CMP法により、第2の銅膜24Aにおける第2の層間絶縁膜22の上側部分を除去すると共に、平坦化を行う。この平坦か工程においても、第2の銅膜24Aがオーバー研磨されるように設定することにより、第3のバリア絶縁膜21の上面から第2の銅膜24Aの上面までの深さが10〜20nm程度となるまで第2の銅膜24Aを研磨除去する。これにより、第2の銅膜24Aから、その上面が第3のバリア絶縁膜21の上面と下面との間に配置された上層配線24が形成され、また、第2の銅膜24Aにおける接続孔部22bに形成された領域は、上層配線24と下層配線16とを接続する配線接続部24aとなる。
【0098】
次に、図5(b)に示すように、スパッタ法により、第2の層間絶縁膜22の上に、上層配線24の上を含む全面にわたって、第2の層間絶縁膜22上の膜厚が約20nmとなるように第4の窒化タンタル膜25Aを形成する。これにより、第3のバリア絶縁膜21の上面と上層配線24の上面との間の領域にも第4の窒化タンタル膜25Aが形成される。
【0099】
次に、図5(c)に示すように、CMP法により、第4の窒化タンタル膜25Aにおける第2の層間絶縁膜22の上側部分を除去することにより、上層配線24の上面には、第4の窒化タンタル膜25Aから第4のバリアメタル膜25が形成される。これにより、第4のバリアメタル膜25の膜厚は、第3のバリア絶縁膜21の上面から上層配線24の上面までの深さである10nm〜20nm程度となる。
【0100】
以上の工程により、図1(a)に示す第1の実施形態に係る半導体装置が完成する。
【0101】
なお、第1の窒化タンタル膜15A、第2の窒化タンタル膜17A、第3の窒化タンタル膜23A及び第4の窒化タンタル膜25Aを形成する各工程において、スパッタ法に代えてCVD法を用いてもよい。
【0102】
以下、第1の半導体装置の製造方法において、接続孔部22bを形成する際のフォトマスクのアライメントずれにより、接続孔部22bの一部分が下層配線16の側方にはみ出して第1の層間絶縁膜14の上側に配置された場合について、図面を参照しながら説明する。
【0103】
図6(a)〜図6(c)及び図7(a)〜図7(c)は、図3(c)に示す工程の後、接続孔部22bを形成する際に、フォトマスクのアライメントずれにより接続孔部22bの一部分が下層配線16の側方にはみ出して第1のバリア絶縁膜13の上側に配置された場合を説明し、それぞれ図3(d)、図4(a)〜図4(c)、図5(a)及び図5(c)に示す工程と対応している。
【0104】
図6(a)に示すように、図3(d)の工程においてフォトマスクのアライメントずれが生じることにより、接続孔部22bの底面には、下層配線16上に形成された第2のバリアメタル膜17が露出されると共に、下層配線16の側方の第1のバリア絶縁膜13が露出されている。
【0105】
次に、図6(b)に示すように、図4(a)に示す工程と同様にして、第3の窒化タンタル膜23Aを形成する。これにより、第3の窒化タンタル膜23Aは、接続孔部22bの底面において、第2のバリアメタル膜17の上面と第1のバリア絶縁膜13の上面との上に形成される。
【0106】
次に、図6(c)に示すように、図4(b)に示す工程と同様にして、第3の窒化タンタル膜23A及び第2のバリアメタル膜17に対する異方性エッチングを行って接続孔部22bの底面に下層配線16を露出させる。ここで、第3の窒化タンタル膜23A及び第2のバリアメタル膜17を除去するためのエッチング剤として、窒化タンタルと窒化シリコンとをほぼ同一の速度で除去可能なエッチング剤を用いているため、下層配線16の上面が露出するまでエッチングすると、接続孔部の底面に位置する第1のバリア絶縁膜13もエッチングをうける。
【0107】
このドライエッチング工程では下層配線16が露出するまでエッチングを行うため、第1のバリア絶縁膜13における下層配線16よりも上側の部分が除去されるとエッチングが停止する。従って、下層配線16の側方には第1のバリア絶縁膜13が残存しており、第1の絶縁膜12は露出しない。
【0108】
具体的に、このドライエッチング工程において第1のバリア絶縁膜13がエッチングされる深さ寸法は、図2(e)のCMP工程でオーバー研磨される深さ寸法と同じであり、第1のバリア絶縁膜13における接続孔部22bと対向する領域は、10〜20nm程度エッチングされて50〜60nm程度の厚さとなり、銅原子に対するバリア性を実現するために十分な膜厚が確保される。
【0109】
次に、図7(a)に示すように、図4(c)に示す工程と同様にして、第2の溝部22a及び接続孔部22bの内部を埋めるように第2の銅膜24Aを堆積する。
【0110】
次に、図7(b)に示すように、図5(a)に示す工程と同様にして、第2の銅膜24Aにおける第2の層間絶縁膜22の上側部分を除去して第2の銅膜24Aから上層配線24及び配線接続部24aを形成すると共に、第2の層間絶縁膜22及び上層配線24の上面を平坦化する。
【0111】
ここで、接続孔部22bの底面において、下層配線16の側方には、膜厚が30〜40nm程度の第1のバリア絶縁膜13が残存しているため、配線接続部24aを構成する銅原子が第1の絶縁膜12へと拡散することがない。
【0112】
次に、図7(c)に示すように、図5(b)及び図5(c)に示す工程と同様にして、第4の窒化タンタル膜を堆積した後にその上部を研磨除去して、上層配線24の上面の上に第4のバリアメタル膜25を形成する。
【0113】
以上説明したように、第1の実施形態の半導体装置の製造方法によると、アライメントずれにより接続孔部22bの一部分が下層配線16の側方にはみ出して第1の層間絶縁膜14の上に配置された場合であっても、第1のバリア絶縁膜13における接続孔部22bの底面に露出した部分は、下層配線16の上面よりも上側部分が除去されるだけである。従って、第1のバリア絶縁膜13により、配線接続部24aから第1の絶縁膜12へと配線材料が拡散することを防止できる。
【0114】
(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【0115】
図8(a)〜図8(c)、図9(a)及び図9(b)は、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示している。図8(a)〜図8(c)、図9(a)及び図9(b)において、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の説明に用いた各図面と同一の部材については同一の符号を付すことにより説明を省略する。なお、第2の実施形態において、接続孔部22bが正常に配置された場合については第1の実施形態と同様であるため、図示と説明とを省略する。
【0116】
図8(a)に示すように、まず、図2(a)〜図2(e)及び図3(a)〜図3(c)に工程と同様にして、半導体基板11上に第1の層間絶縁膜14と下層配線16とを形成した後、第2の層間絶縁膜22を形成し、続いて図3(d)に示す工程と同様にして、第2の層間絶縁膜22に第2の溝部22a及び接続孔部22bを形成する。ここで、接続孔部22bを形成する工程においてアライメントずれにより、接続孔部22bの一部分が下層配線16の側方にはみ出して第1のバリア絶縁膜13の上側に配置されている。
【0117】
その後、図4(a)及び図4(b)に示す工程と同様にして、第2の層間絶縁膜22の上に、第2の溝部22a及び接続孔部22bの底面及び壁面の上を含む全面にわたって第3の窒化タンタル膜を形成した後、異方性ドライエッチングにより接続孔部22bの底面に位置する第3の窒化タンタル膜及び第2のバリアメタル膜17を除去して接続孔部22bの底面に下層配線16を露出する。
【0118】
ここで、第2の実施形態では、下層配線16を露出するための異方性エッチングにおいて、窒化シリコンよりも窒化タンタルに対するエッチング速度が大きいエッチング剤を用いており、これにより、図8(a)に示すように、第1のバリア絶縁膜13における接続孔部22bの底面に露出した部分は、ほとんどエッチングされていない。ここで、窒化シリコンと比べて窒化タンタルに対するエッチング速度が大きいエッチングガスとして、例えば塩素ガス又は塩素を含む混合ガスを主成分とするプラズマガスを用いる。
【0119】
次に、図8(b)に示すように、図4(c)に示す工程と同様にして、第2の溝部22a及び接続孔部22bの内部を埋めるように第2の銅膜24Aを堆積する。
【0120】
次に、図8(c)に示すように、図5(a)に示す工程と同様にして、第2の銅膜24Aにおける第2の層間絶縁膜22の上側部分を除去して第2の銅膜24Aから上層配線24及び配線接続部24aを形成すると共に、第2の層間絶縁膜22及び上層配線24の上面を平坦化する。
【0121】
次に、図9(a)に示すように、図5(b)に示す工程と同様にして、第2の層間絶縁膜22の上に、上層配線24の上を含む全面にわたって、第4の窒化タンタル膜25Aを堆積する。
【0122】
次に、図9(b)に示すように、図5(c)に示す工程と同様にして、第2の層間絶縁膜22の上面が露出するまで第4の窒化タンタル膜25Aを研磨除去することにより、第4の窒化タンタル膜25Aから上層配線24の上面を覆う第4のバリアメタル膜25を形成する。
【0123】
このように、第2の実施形態の半導体装置の製造方法によると、下層配線16を露出する工程において、第1のバリア絶縁膜13はほとんどエッチングされないため、接続孔部22bの底面に露出した第1のバリア絶縁膜13の膜厚を50nm程度に形成しても、下層配線16を露出した後に、銅原子に対する十分なバリア性を確保できる。従って、第2の実施形態では、第1の実施形態よりも第1のバリア絶縁膜13の膜厚を小さくすることができるため、配線間の容量をさらに低減できる。
【0124】
なお、第1の実施形態及び第2の実施形態において、下層配線16、上層配線24及び配線接続部24aを構成する材料は、銅に限られず、銅を含む合金であってもよい。また、下層配線16と、上層配線24及び配線接続部24aとのそれぞれに異なる材料を用いてもよい。
【0125】
また、第1の実施形態及び第2の実施形態において、第1のバリア絶縁膜13、第2のバリア絶縁膜19及び第3のバリア絶縁膜21を構成する材料は、窒化シリコンに限られず、銅原子に対するバリア性を有する絶縁であればよい。例えば、第1のバリア絶縁膜13、第2のバリア絶縁膜19及び第3のバリア絶縁膜21のうちの1つ以上に、炭化シリコン(SiC)を用いていも、窒化シリコンを用いた場合と同様に下層配線16、上層配線24及び配線接続部24aを構成する配線材料の拡散を防止できる。
【0126】
また、第1の実施形態及び第2の実施形態において、各バリアメタル膜(即ち、第1のバリアメタル膜15、第2のバリアメタル膜17、第3のバリアメタル膜23及び第4のバリアメタル膜25)を構成する材料は、窒化タンタルに限られず、銅原子に対してバリア性を有する他の材料を用いてもよい。特に、各バリアメタル膜を構成する材料として、例えば、タンタル(Ta)、窒化タングステン(WN)又は窒化珪化タンタル(TaSiN)等の導電性材料を用いることにより、配線間の容量を低減する効果を得られる。
【0127】
また、第1の実施形態及び第2の実施形態において、上層配線の上に他の配線を形成しない場合には、上層配線24の上に形成された第4のバリアメタル膜25と、第2の層間絶縁膜22の最上層を構成する第3のバリア絶縁膜21とを省略してもよい。
【0128】
【発明の効果】
本発明の半導体装置及びその製造方法によると、下層配線と配線接続部との間を配線材料が移動できるため、エレクトロマイグレーション耐性を向上されており、また、下層配線の上に形成された第1の拡散防止膜により下層配線から第2の絶縁膜への配線材料の拡散が防止できるため、配線間の容量が増大しない。さらに、アライメントアライメントずれが生じて配線接続部が下層配線の側方にはみ出して配置された場合であっても、第1の拡散防止絶縁層により配線接続部から第1の絶縁層へと配線材料が拡散されることを防止できる。従って、配線間の容量を増大させることなく、EM耐性の向上とアライメントずれによる配線材料の拡散の防止とを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示す構成断面図であり、(b)は(a)に示す半導体装置を形成する工程において、アライメントずれが生じて接続孔部の一部分が下層配線の側方にはみ出して形成された場合を示す構成断面図である。
【図2】(a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図3】(a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図4】(a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図5】(a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図6】(a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法において、アライメントずれが生じて接続孔部の一部分が下層配線の側方にはみ出して形成された場合を示す工程順の構成断面図である。
【図7】(a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法において、アライメントずれが生じて接続孔部の一部分が下層配線の側方にはみ出して形成された場合を示す工程順の構成断面図である。
【図8】(a)〜(d)は本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示し、アライメントずれにより接続孔部の一部分が下層配線の側方にはみ出して形成された場合の工程順の構成断面図である。
【図9】(a)〜(d)は本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示し、アライメントずれにより接続孔部の一部分が下層配線の側方にはみ出して形成された場合の工程順の構成断面図である。
【図10】第1の従来例に係る半導体装置を示す構成断面図である。
【図11】(a)は第2の従来例に係る半導体装置を示す断面構成図であり、(b)は(a)に示す半導体装置を形成する工程において、アライメントずれが生じて接続孔部の一部分が下層配線の側方にはみ出して形成された場合を示す構成断面図である。
【図12】(a)は第3の従来例に係る半導体装置を示す断面構成図であり、(b)は(a)に示す半導体装置を形成する工程において、アライメントずれが生じて接続孔部の一部分が下層配線の側方にはみ出して形成された場合を示す構成断面図である。
【符号の説明】
11 半導体基板(半導体領域)
12 第1の絶縁膜(第1の絶縁層)
13 第1のバリア絶縁膜(第1の拡散防止絶縁層)
14 第1の層間絶縁膜
14a 第1の溝部(溝部)
15 第1のバリアメタル膜
15A 第1の窒化タンタル膜
16 下層配線
16A 第1の銅膜(下層配線形成膜)
17 第2のバリアメタル膜(第1の拡散防止膜)
17A 第2の窒化タンタル膜(第1の拡散防止膜形成膜)
18 第2の絶縁膜
19 第2のバリア絶縁膜
20 第3の絶縁膜
21 第3のバリア絶縁膜(第2の拡散防止絶縁層)
22 第2の層間絶縁膜
22a 第2の溝部
22b 接続孔部
23 第3のバリアメタル膜
23A 第3の窒化タンタル膜
24 上層配線
24a 配線接続部
24A 第2の銅膜(上層配線形成膜)
25 第4のバリアメタル膜(第2の拡散防止膜)
25A 第4の窒化タンタル膜
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a plurality of wiring layers and a method of manufacturing the same, and in particular, a lower wiring and an upper wiring, and a wiring connection portion connecting the lower wiring and the upper wiring are embedded in an interlayer insulating film. The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Due to demands for miniaturization and high-speed operation of semiconductor integrated circuits, there is a demand for lowering the resistivity and improving the reliability of wiring used in semiconductor integrated circuits and the like. In particular, aluminum has conventionally been used as a material forming the wiring, but in recent years, copper has been used as a wiring material having lower resistance and higher reliability than aluminum.
[0003]
Here, when copper is used as the wiring material, since copper atoms have a property of easily diffusing into silicon oxide forming the interlayer insulating film, for example, tantalum nitride (TaN) is formed on the bottom and side surfaces of the wiring groove and the connection hole. For example, it is necessary to prevent a wiring material from diffusing into an interlayer insulating film by forming a barrier metal film made of a material having a barrier property against copper atoms.
[0004]
(First conventional example)
FIG. 10 is a sectional view showing a first conventional semiconductor device formed by the damascene method. As shown in FIG. 10, the semiconductor device of the first conventional example has a semiconductor substrate 101 on which a semiconductor integrated circuit is provided, on which a first trench 102a is provided as a first interlayer insulating film. One silicon oxide film 102 is formed, and a lower wiring 104 made of copper is formed inside the first trench 102a via a first barrier metal film 103 made of tantalum nitride covering the side and bottom surfaces. Have been.
[0005]
Further, on the first silicon oxide film 102 including the lower wiring 104, a first silicon nitride film 105, a second silicon oxide film 106, a second silicon nitride film 107, and a third silicon oxide film 107 are formed. A second interlayer insulating film 109 is formed as a laminated film in which the films 108 are sequentially laminated. The second interlayer insulating film 109 is provided with a second groove 109 a for the upper wiring, and a connection hole 109 b extending from the bottom surface of the second groove 109 a to the upper surface of the lower wiring 104. Copper, which is a wiring material, is buried inside the second groove 109a and the connection hole 109b via a second barrier metal film 110 made of tantalum nitride covering the respective side surfaces and bottom surfaces, thereby forming an upper layer wiring. 111 and a wiring connection portion 111a for connecting the upper wiring 111 and the lower wiring 104 are formed.
[0006]
Here, tantalum nitride forming the first barrier metal film 103 and the second barrier metal film 110 is a conductive material having a barrier property against copper atoms (a property of preventing diffusion of copper atoms). The first and second silicon oxide films 102, 106 and the third silicon oxide film 108 form the copper constituting the lower wiring 104 and the upper wiring 111 by the barrier metal film 103 and the second barrier metal film 110. Is prevented from diffusing into
[0007]
Further, since silicon nitride is an insulating material having a barrier property against copper atoms, the first silicon nitride film 105 is provided between the lower wiring 104 and the second silicon oxide film 106, Copper atoms forming the wiring 104 can be prevented from diffusing into the second silicon oxide film 106.
[0008]
In the semiconductor device of the first conventional example, the second trench 109a and the connection hole 109b are patterned on the second interlayer insulating film 109 by using a photolithography method and a dry etching method. An opening region for forming the connection hole portion 109b is positioned so as to be included in a formation region of the lower wiring 104.
[0009]
Meanwhile, when a high-density current flows between the lower wiring 104 and the upper wiring 111, a phenomenon called electro-migration (EM) in which copper atoms as a wiring material move by an electron flow occurs.
[0010]
In the semiconductor device of the first conventional example, since the second barrier metal film 110 is disposed between the lower wiring 104 and the wiring connection portion 111a, the movement of the copper atoms by the EM prevents the second barrier metal film. Since a void grows between the lower wiring 104 and the wiring connection portion 111a because of being hindered by the wiring 110, it causes a failure such as disconnection.
[0011]
As described above, the semiconductor device of the first conventional example has a problem that voids are easily generated by electromigration (that is, EM resistance is low).
[0012]
In order to solve such a problem, a semiconductor device in which a lower wiring and an upper wiring are formed continuously by removing the bottom surface of the connection hole 109b in the second barrier metal film 110 (see, for example, Patent Document 1) A semiconductor device in which the bottom surface of the connection hole 109b in the second barrier metal film 110 is thinned to such an extent that copper atoms can move (for example, see Patent Document 2).
[0013]
(Second conventional example)
Hereinafter, a semiconductor device described in Patent Document 1 will be described as a second conventional example with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 11A shows a cross-sectional configuration of a semiconductor device of a second conventional example. As shown in FIG. 11A, in the semiconductor device of the second conventional example, a portion of the second barrier metal film 110 between the lower wiring 104 and the wiring connection portion 111a and a portion of the second silicon nitride film 107 are formed. The upper part has been removed. In such a configuration, after the second barrier metal film 110 is formed over the entire surface including the second trench 109 a and the connection hole 109 b on the second interlayer insulating film 109, the second barrier metal This is realized by performing anisotropic etching on the film 110 and removing portions of the second barrier metal film 110 formed on the bottom surfaces of the second trench 109a and the connection hole 109b.
[0015]
According to the configuration of the second conventional example, since a barrier metal film is not formed between the lower wiring 104 and the wiring connection portion 111a, even if a high-density current is generated between the lower wiring 104 and the upper wiring 111. In addition, the generation of voids is suppressed because the transfer of copper atoms by EM is not hindered. Therefore, the semiconductor device of the second conventional example has improved EM resistance.
[0016]
However, in the semiconductor device of the second conventional example, there is a problem that copper atoms are diffused when a misalignment occurs in the photolithography process. Hereinafter, a case where the misalignment occurs in the semiconductor device of the second conventional example will be specifically described.
[0017]
FIG. 11B is a cross-sectional configuration diagram in a case where an alignment shift occurs between photomasks in a photolithography process for patterning the connection hole 109b. As shown in FIG. 11B, when a portion of the connection hole portion 109b protrudes from the lower wiring 104 due to misalignment, a portion of the wiring connection portion 111a is disposed in contact with the first silicon oxide film 102. Is done.
[0018]
Accordingly, since a material having a barrier property against copper atoms is not arranged between the wiring connection portion 111a and the first silicon oxide film 102, the copper atoms of the wiring material diffuse into the first silicon oxide film 102. This may cause poor connection or disconnection.
[0019]
As described above, in the semiconductor device of the second conventional example, the EM resistance is ensured by allowing the copper atoms of the wiring material to move between the wiring connection portion 111a and the lower wiring 104. Since there is no second barrier metal film 110 on the bottom surface, copper atoms diffuse into the first silicon oxide film 102 when the misalignment occurs, thereby deteriorating the reliability of the semiconductor device.
[0020]
To cope with such a problem, after forming an insulating film having a barrier property against a wiring material on the first silicon oxide film 102, the second trench 109a and the connection hole 109b for the upper wiring 111 are formed. 2. Description of the Related Art A semiconductor device configured to be patterned is known (for example, see Patent Document 3).
[0021]
(Third conventional example)
Hereinafter, a semiconductor device described in Patent Document 3 will be described as a third conventional example with reference to the drawings.
[0022]
FIG. 12A shows a cross-sectional configuration of a semiconductor memory device of a third conventional example. As shown in FIG. 12A, in the semiconductor device of the third conventional example, the first silicon oxide film 102 is formed on the first silicon oxide film 102 as a barrier insulating film made of an insulating material having a barrier property against copper atoms. Of the first silicon oxide film 102 and the first silicon nitride film 112 are used as the first interlayer insulating film 113, and the silicon nitride film 112 is provided on the first interlayer insulating film 113. The lower layer wiring 104 is provided in the first groove 113a. Further, as second interlayer insulating film 109A, SiC film 114 made of silicon carbide (SiC), second silicon oxide film 106, second silicon nitride film 107, third silicon oxide film 108, and second silicon A laminated film in which the nitride films 115 are sequentially laminated is formed.
[0023]
Here, when the first silicon nitride film 112 constituting the uppermost layer of the first interlayer insulating film 113 is misaligned when forming the connection hole 109b, the first silicon nitride film 112 is made of the wiring material of the wiring connection portion 111a. This prevents certain copper atoms from diffusing into the first silicon oxide film 102.
[0024]
Further, the SiC film 114 constituting the lowermost layer of the second interlayer insulating film 109A prevents copper atoms, which are the wiring material of the lower wiring 104, from diffusing into the second silicon oxide film 106, and also has a connection hole. If an alignment shift occurs when the portion 109b is formed, selective etching with the first silicon nitride film 112 can be performed. Hereinafter, a specific description will be given of a case where misalignment occurs in the semiconductor device manufacturing method of the third conventional example.
[0025]
FIG. 12B is a cross-sectional configuration diagram showing a case where an alignment shift occurs in a photolithography process for patterning the connection hole 109b in the method of manufacturing the semiconductor device of the third conventional example. As shown in FIG. 12B, even when a part of the connection hole portion 109b protrudes from the lower layer wiring 104 and is arranged on the first interlayer insulating film 113 due to misalignment, the wiring connection portion 111a is Since the first silicon nitride film 112 is arranged between the first silicon oxide film 102 and the first silicon nitride film 112, copper forming the wiring connection portion 111 a is not diffused into the first silicon oxide film 102.
[0026]
[Patent Document 1]
JP 2001-284449 A
[Patent Document 2]
JP-A-2002-176099
[Patent Document 3]
JP-A-2002-064140
[0027]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the third conventional example, as the insulating film for preventing the diffusion of the wiring material, the lowermost layer of the second interlayer insulating film 109A for preventing the diffusion from the lower wiring 104 to the second silicon oxide film 106. The first silicon nitride film 112 provided on the uppermost layer of the first interlayer insulating film 113 in order to prevent diffusion from the wiring connection portion 111a to the first silicon oxide film 102. is necessary. Here, since silicon nitride and silicon carbide have a higher dielectric constant than silicon oxide, the first silicon nitride film 112 and the SiC film 114 each have a sufficient thickness to prevent diffusion of copper atoms. Then, the capacitance between the second conventional example and the wiring increases.
[0028]
As described above, the semiconductor device of the third conventional example can improve the EM resistance by allowing the wiring material to move between the lower layer wiring and the wiring connection portion. If the diffusion of the wiring material from above can be prevented, the thickness of the insulating film for preventing the diffusion becomes large, so that there is a problem that the capacitance between the wirings increases.
[0029]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned conventional problems and to improve the EM resistance and prevent the diffusion of wiring material due to misalignment without increasing the capacitance between wirings.
[0030]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a diffusion preventing insulating layer on the uppermost layer of an interlayer insulating film, a diffusion preventing film on an upper surface of a lower wiring, and an upper surface of the lower wiring having a diffusion preventing insulating layer. It is configured to be provided between the upper surface and the lower surface.
[0031]
Specifically, a semiconductor device according to the present invention is formed over a semiconductor region and includes a lower wiring formed of a first wiring material and a lower wiring formed on the semiconductor region and insulating between the semiconductor region and the lower wiring. A first interlayer insulating film, an upper layer wiring formed of a second wiring material, formed above the lower wiring, and a wiring formed of the second wiring material and connecting an upper surface of the lower wiring and a lower surface of the upper wiring; Except for a connection portion, a second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film and insulating between the lower wiring and the upper wiring, and a portion on the upper surface of the lower wiring where the wiring connecting portion is formed A first diffusion preventing film formed in the region and preventing diffusion of the first wiring material, wherein the first interlayer insulating film is formed on the first insulating layer and the first insulating layer. And first diffusion preventing insulation for preventing diffusion of the first wiring material and the second wiring material. Consists of a upper surface of the lower layer wiring is provided so as to be positioned between the upper and lower surfaces of the first diffusion preventing insulating layer.
[0032]
According to the semiconductor device of the present invention, since the first diffusion prevention film is formed in a region other than the region where the wiring connection portion is formed on the lower wiring, the lower wiring and the second interlayer insulating film are formed. Since the wiring material forming the lower layer wiring is not diffused into the second interlayer insulating film during the period, an insulating film for preventing diffusion is provided in the lowermost layer of the second interlayer insulating film as in the third conventional example. There is no need to increase the capacitance between wirings. Further, since the first diffusion prevention film does not exist between the lower wiring and the wiring connection portion, the wiring material can move, so that the EM resistance is improved. Further, since the upper surface of the lower wiring is disposed between the upper surface and the lower surface of the first diffusion prevention insulating layer, a part of the wiring connection portion is formed on the first interlayer insulating film due to misalignment. Even in this case, it is possible to prevent the wiring material forming the wiring connection portion from diffusing into the first insulating layer.
[0033]
In the semiconductor device of the present invention, the first diffusion barrier film is preferably made of a conductive material.
[0034]
In this case, the capacitance between the lower wiring and the upper wiring can be further reduced.
[0035]
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the first wiring material and the second wiring material are copper or an alloy containing copper.
[0036]
In this case, the lower wiring, the upper wiring, and the wiring connection portion can be formed with low resistance and high reliability.
[0037]
In the semiconductor device of the present invention, the material constituting the first diffusion barrier film is preferably any one of tantalum, tantalum nitride, tungsten nitride, and tantalum nitride silicide.
[0038]
In this case, the diffusion of copper atoms as a wiring material can be reliably prevented by the first diffusion prevention film.
[0039]
In the semiconductor device of the present invention, the material forming the first diffusion prevention insulating layer is preferably silicon nitride or silicon carbide.
[0040]
In this case, the diffusion of copper atoms, which is a wiring material, can be reliably prevented by the first diffusion prevention insulating layer.
[0041]
The semiconductor device of the present invention further includes a second diffusion prevention film covering the upper wiring and preventing the diffusion of the second wiring material, wherein the second interlayer insulating film includes a second insulating layer; A second diffusion preventing insulating layer formed on the second insulating layer and preventing diffusion of the second wiring material, wherein an upper surface of the upper wiring is positioned on the upper surface of the second diffusion preventing insulating layer; It is preferable to be provided so as to be located between the lower surface position.
[0042]
In this way, even when another wiring is formed on the upper wiring, it is possible to improve the EM resistance and prevent the diffusion of the wiring material due to the misalignment without increasing the capacitance between the wirings. it can.
[0043]
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the steps of sequentially laminating a first insulating layer and a first diffusion prevention insulating layer on a semiconductor region to form a first interlayer insulating film; Forming a groove in the film, forming a lower wiring inside the groove such that the upper surface is located between the upper surface and the lower surface of the first diffusion preventing insulating layer, and forming a lower wiring on the lower wiring. Forming a second interlayer insulating film on the entire surface including the first diffusion preventing film on the first diffusion preventing film; and forming a second interlayer insulating film on the entire surface including the first diffusion preventing film. Forming an opening through the second interlayer insulating film in the insulating film to expose the first diffusion barrier film; and removing the first diffusion barrier film exposed in the opening to remove the first diffusion barrier film. Exposing a lower wiring on a bottom surface, and forming a wiring connection portion and an upper wiring inside the opening. There.
[0044]
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the method includes the step of forming the lower wiring such that the upper surface is located between the upper surface and the lower surface of the first diffusion prevention insulating layer. Even if a part of the opening is disposed above the first interlayer insulating film due to misalignment when the opening is formed in the insulating film, the lower wiring is exposed in the step of exposing the lower wiring in the opening. Since the etching is stopped when the upper surface of the opening is exposed, the first insulating layer is not exposed on the bottom surface of the opening. Therefore, the second wiring material is removed from the wiring connecting portion by the first diffusion preventing insulating layer. Can be prevented from diffusing into the interlayer insulating film. The method further includes a step of forming a first diffusion barrier film on the lower wiring, and a step of removing the first diffusion barrier film exposed at the opening to expose the lower wiring at the bottom surface of the opening. Therefore, it is possible to prevent the first wiring material from diffusing from the lower wiring into the second interlayer insulating film without forming an insulating layer for preventing diffusion in the lowermost layer of the second interlayer insulating film, and also to prevent the wiring from being formed. Since the material can move between the lower wiring and the wiring connection portion, EM resistance is improved. Therefore, it is possible to improve the EM resistance and prevent the diffusion of the wiring material due to the misalignment without increasing the capacitance between the wirings.
[0045]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in the step of exposing the lower wiring, an etching agent capable of etching the material forming the first diffusion prevention film and the material forming the first diffusion prevention insulating layer is used. Preferably, the first diffusion barrier film exposed at the opening is removed.
[0046]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in the step of exposing the lower wiring, the etching rate for the material forming the first diffusion prevention film is higher than the etching rate for the material forming the first diffusion prevention insulating layer. It is preferable to etch away the first anti-diffusion film exposed in the opening using an etching agent having a large value.
[0047]
In this case, since the first diffusion prevention insulating layer is hardly etched in the step of exposing the lower wiring, even if the thickness of the first diffusion prevention insulating layer is reduced, the diffusion of the wiring material at the bottom of the opening is prevented. Since a sufficient thickness can be ensured for prevention, the capacitance between wirings can be reduced.
[0048]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the step of forming the lower wiring includes forming a lower wiring forming film over the entire surface including the groove on the first interlayer insulating film; Forming a lower wiring from the lower wiring forming film by polishing and removing the upper surface to such an extent that the upper surface is located between the upper surface and the lower surface of the first diffusion prevention insulating layer.
[0049]
With this configuration, by appropriately setting the polishing conditions of the lower wiring forming film, the position of the upper surface of the lower wiring can be adjusted to be located between the upper surface and the lower surface of the first diffusion prevention insulating layer. It can be formed reliably at low cost.
[0050]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the step of forming the first diffusion prevention film includes the step of forming the first diffusion prevention film made of a conductive material on the entire surface including the lower wiring on the first diffusion prevention insulating layer. Forming the first diffusion barrier film, removing the upper portion of the first diffusion barrier film so that the upper surface of the first diffusion barrier insulating layer is exposed, and removing the first diffusion barrier film from the first diffusion barrier film. And forming a first diffusion prevention film.
[0051]
By doing so, the first diffusion prevention film can be formed in a self-aligned manner with respect to the groove of the first interlayer insulating film, so that the first diffusion prevention film can be reliably formed at low cost. Can be.
[0052]
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention further includes, after the step of forming the upper layer wiring, a step of forming a second anti-diffusion film on the upper layer wiring, wherein the step of forming the second interlayer insulating film includes: Forming a second insulating layer and a second diffusion preventing insulating layer sequentially on the first interlayer insulating film. The step of forming the upper wiring includes opening the second interlayer insulating film on the second interlayer insulating film. Forming the upper wiring formation film over the entire surface including the inside of the portion, and polishing and removing the upper wiring formation film to such an extent that the upper surface is located between the upper surface and the lower surface of the second diffusion prevention insulating layer. Forming an upper wiring from the upper wiring forming film.
[0053]
In this way, even when another wiring is formed on the upper wiring, it is possible to improve the EM resistance and prevent the diffusion of the wiring material due to the misalignment without increasing the capacitance between the wirings. it can.
[0054]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
A semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0055]
FIG. 1A shows a cross-sectional configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1A, the semiconductor device according to the first embodiment includes, for example, a first insulating film 12 made of silicon oxide having a thickness of about 250 nm on a semiconductor substrate 11 made of silicon. And a first barrier insulating film (first diffusion prevention insulating layer) 13 made of silicon nitride having a thickness of about 70 nm. Here, the first insulating film 12 and the first barrier insulating film 13 constitute a first interlayer insulating film 14, and a wiring groove for forming a lower wiring is formed on the first interlayer insulating film 14. A first groove (groove) 14a having a depth of about 250 nm from the upper surface of the first barrier insulating film 13 and a width of about 240 nm is provided.
[0056]
A first barrier metal film 15 made of tantalum nitride having a thickness of about 20 nm is provided on the wall surface and the bottom surface of the first groove portion 14a, and copper, which is a wiring material, is provided inside the first groove portion 14a. Is embedded to form the lower wiring 16.
[0057]
Although not shown, a semiconductor integrated circuit including a transistor and the like and a protective film covering the surface of the semiconductor integrated circuit are provided on the upper surface of the semiconductor substrate 11, and the upper surface of the protective film is provided on the upper surface of the protective film. A tungsten plug serving as an electrode of a transistor or the like is provided. The lower wiring 16 is connected to the semiconductor integrated circuit on the semiconductor substrate 11 via the tungsten plug. Further, the first interlayer insulating film 14 insulates between the lower wiring 16 and the semiconductor integrated circuit.
[0058]
The upper surface of the lower wiring 16 is disposed at a position where the depth from the upper surface of the first barrier insulating film 13 in the first groove portion 14a is about 10 nm to 20 nm. In a region other than a region where a later-described wiring connection portion is formed on the lower wiring 16 in the first groove portion 14 a, a second portion is formed so as to fill a portion below the upper surface of the first barrier insulating film 13. A barrier metal film (first diffusion prevention film) 17 is provided. Here, the thickness of the second barrier metal film 17 is approximately 10 nm to 20 nm, which is substantially equal to the depth from the upper surface of the first barrier insulating film 13 to the upper surface of the lower wiring 16, so that the barrier property against copper atoms is Is secured.
[0059]
On the first interlayer insulating film 14 including the second barrier metal film 17, a second insulating film 18 made of silicon oxide having a thickness of about 200 nm, and a silicon nitride film having a thickness of about 70 nm Barrier insulating film 19 made of silicon, a third insulating film 20 made of silicon oxide having a thickness of about 200 nm, and a third barrier insulating film made of silicon nitride having a thickness of about 70 nm (second diffusion preventing insulation) Layers) 21 are sequentially stacked.
[0060]
Here, the second insulating film 18, the second barrier insulating film 19, the third insulating film 20, and the third barrier insulating film 21 constitute a second interlayer insulating film 22. A second insulating film having a depth of about 250 nm and a width of about 240 nm from the upper surface of the third barrier insulating film 21 is provided on the film 22, that is, on the third insulating film 20 and the third barrier insulating film 21. A groove 22a is provided, and the lower part of the second interlayer insulating film 22, that is, the second insulating film 18 and the second barrier insulating film 19 are formed on the lower surface of the lower wiring 16 from the bottom of the second groove 22a. Is provided.
[0061]
A third barrier metal film 23 made of tantalum nitride having a thickness of about 20 nm is formed on the wall surfaces of the second trench 22a and the connection hole 22b in the second interlayer insulating film 22. The upper layer wiring 24 and the wiring connection part 24a are respectively formed by embedding copper as a wiring material inside the groove part 22a and the connection hole part 22b.
[0062]
Here, the upper surface of the upper wiring 24 is disposed at a position where the depth from the upper surface of the third barrier insulating film 21 in the second groove 22a is about 10 nm to 20 nm, and the upper wiring in the second groove 22a is formed. A fourth barrier metal film (second diffusion prevention film) 25 made of tantalum nitride having a film thickness of about 10 to 20 nm is provided on 24.
[0063]
In the semiconductor device according to the first embodiment configured as described above, the first barrier insulating film 13, the second barrier insulating film 19, and the third barrier insulating film 21 have a barrier property against copper atoms (copper The first barrier metal film 15, the second barrier metal film 17, and the third barrier metal film are made of a silicon nitride film which is an insulating material having a property of preventing diffusion of atoms. 23 and the fourth barrier metal film 25 are made of tantalum nitride, which is a conductive material having a barrier property against copper atoms, so that the wiring material of the lower wiring 16 and the upper wiring 24 is the first interlayer insulating film 14. In addition, diffusion to the second interlayer insulating film 22 can be prevented.
[0064]
Specifically, since the side and bottom surfaces of the lower wiring 16 are covered with the first barrier metal film 15, copper atoms, which are the wiring material forming the lower wiring 16, diffuse into the first insulating film 12. In addition, since the upper surface of the lower wiring 16 is covered with the second barrier metal film 17 except for the region where the wiring connection portion 24a is formed, copper atoms are removed from the second insulating film. 18 is prevented.
[0065]
Further, since the side surfaces of the upper wiring 24 and the wiring connection portion 24a are covered with the third barrier metal film 23, the copper atoms constituting the upper wiring 24 and the wiring connection portion 24a are not covered by the third insulating film 20 and the third Diffusion to the second insulating film 18 is prevented.
[0066]
Furthermore, since the second barrier insulating film 19 is provided on the bottom of the upper wiring 24 except for the region where the wiring connection portion 24a is formed on the bottom surface, silicon nitride prevents diffusion of copper atoms. Since it is an insulating material having a barrier property, copper atoms, which are wiring materials forming the upper layer wiring 24, are prevented from diffusing into the second insulating film 18.
[0067]
In addition, the fourth barrier metal film 25 formed on the upper wiring 24 and the third barrier insulating film 21 constituting the uppermost layer of the second interlayer insulating film 22 form another wiring on the upper wiring 24. In the case of forming another wiring via the interlayer insulating film, the diffusion of the wiring material constituting the upper wiring 24 and the other wiring formed thereon can be prevented.
[0068]
Here, in the semiconductor device according to the first embodiment, since the diffusion of the wiring material from the lower wiring 16 to the second insulating film 18 can be prevented by using the second barrier metal film 17, the second interlayer insulating film is formed. Since it is not necessary to form a barrier insulating film in the lowermost layer of the film 22, the capacitance between the lower wiring 16 and the upper wiring 24 is smaller than that of the third conventional semiconductor device.
[0069]
In addition, since there is no barrier metal film between the lower wiring 16 and the wiring connection part 24a, the structure is such that copper atoms as the wiring material can move between the lower wiring 16 and the wiring connection part 24a. Void growth due to electromigration (EM) can be suppressed, and EM resistance is improved.
[0070]
A feature of the first embodiment is that a first insulating film 12 and a first barrier insulating film 13 are sequentially laminated as a first interlayer insulating film 113 for insulating between the semiconductor substrate 11 and the lower wiring 16. The upper surface of the lower wiring 16 is disposed between the upper surface and the lower surface of the first barrier insulating film 13, and the wiring connection portion 24 a on the upper surface of the lower wiring 16 is formed. Is characterized in that the first barrier insulating film 13 is arranged on the region excluding the above.
[0071]
With such a configuration, even when the alignment shift occurs when the connection hole 22b is formed, the wiring material forming the wiring connection portion 24a is changed to the first insulating film 12 by the first barrier insulating film 13. Can be prevented.
[0072]
Hereinafter, a description will be given, with reference to the drawings, of a case where misalignment occurs when the connection hole 22b is formed in the semiconductor device of the first embodiment.
[0073]
FIG. 1B illustrates a first example in which, in the semiconductor device illustrated in FIG. 1A, when the connection hole 22 b is formed, a part of the connection hole 22 b protrudes to the side of the lower wiring 16 due to misalignment. 2 shows a cross-sectional configuration in the case where it is disposed above an interlayer insulating film 14.
[0074]
As shown in FIG. 1B, when a part of the connection hole 22 b is disposed on the first barrier insulating film 13, the bottom surface of the connection hole 22 b coincides with the upper surface of the lower wiring 16. Be placed. At this time, in a region of the first barrier insulating film 13 facing the connection hole 22b, a portion above the upper surface of the lower wiring 16 is removed.
[0075]
Here, in the first embodiment, the thickness of the first barrier insulating film 13 is about 70 nm, and the depth from the upper surface of the first barrier insulating film 13 to the upper surface of the lower wiring 16 is 10 to 20 nm. Therefore, the thickness of the region of the first barrier insulating film 13 facing the connection hole 22b is about 50 to 60 nm, so that the first barrier insulating film 13 has a sufficient barrier property against copper atoms. Is done. Therefore, the diffusion of copper atoms from the wiring connection portion 24 a to the first insulating film 12 is prevented by the first barrier insulating film 13.
[0076]
As described above, according to the semiconductor device of the first embodiment, the upper surface of the lower wiring 16 is covered with the second barrier metal film 17 except for the region where the wiring connection portion 24a is formed. Therefore, EM resistance can be improved, and since there is no need to form a barrier insulating film in the lowermost layer of the second interlayer insulating film 22, the capacitance between wirings does not increase. Further, since the upper surface of the lower wiring 16 is disposed between the upper surface and the lower surface of the first barrier insulating film 13, the wiring from the wiring connecting portion 24 a to the first insulating film 12 even if the alignment shift occurs. Material diffusion can be prevented.
[0077]
In the semiconductor device according to the first embodiment, since the upper surface of the upper wiring 24 is disposed between the upper surface and the lower surface of the third barrier insulating film 21, another wiring layer is formed on the upper wiring 24. Is formed, as in the case where the upper wiring 24 is formed on the lower wiring 16, it is possible to cope with the misalignment and to reduce the capacitance between the wiring between the upper wiring 24 and the other wiring thereon. Can be reduced.
[0078]
(Manufacturing method of the first embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0079]
2 (a) to 2 (d), FIGS. 3 (a) to 3 (d), FIGS. 4 (a) to 4 (d), and FIGS. 5 (a) to 5 (c) 4 illustrates a cross-sectional configuration in a process order of a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment.
[0080]
First, as shown in FIG. 2A, a first insulating film having a thickness of about 250 nm is formed on a semiconductor substrate 11 provided with a semiconductor integrated circuit (not shown) by, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method. A first interlayer insulating film 14 is formed by sequentially depositing a film 12 and a first barrier insulating film 13 having a thickness of about 70 nm.
[0081]
Next, as shown in FIG. 2B, the first interlayer insulating film 14 is patterned by using a photolithography method and a dry etching method, so that the depth of a wiring groove for forming a lower wiring is reduced. A first groove 14a having a thickness of about 250 nm and a width of about 240 nm is formed.
[0082]
Next, as shown in FIG. 2C, the bottom surface of the first groove portion 14a is formed on the first interlayer insulating film 14 over the entire surface including the bottom surface and the wall surface of the first groove portion 14a by the sputtering method. The first tantalum nitride film 15A is formed such that the thickness of the first tantalum nitride film becomes about 20 nm.
[0083]
Next, as shown in FIG. 2D, the first copper film 16A is formed on the first tantalum nitride film 15A by electrolytic plating over the entire surface so as to fill the inside of the first groove 14a. Is deposited. Here, in the step of forming the first copper film 16A, it is preferable to form a thin film made of copper by using a sputtering method prior to the electrolytic plating method so that copper as a plating metal is easily deposited. .
[0084]
Next, as shown in FIG. 2E, the upper portions of the first copper film 16A and the first tantalum nitride film 15A above the first interlayer insulating film 14 are formed by a chemical mechanical polishing (CMP) method. The layers are sequentially removed, and the upper surface of the first interlayer insulating film 14 is planarized. In this flattening step, the polishing conditions in the CMP method are adjusted to conditions for over-polishing until the depth from the upper surface of the first barrier insulating film 13 to the upper surface of the first copper film 16A becomes about 10 nm to 20 nm. I do. As a result, the first barrier metal film 15 is formed from the first tantalum nitride film 15A, and the upper surface is formed between the upper surface and the lower surface of the first barrier insulating film 13 from the first copper film 16A. The arranged lower layer wiring 16 is formed.
[0085]
Here, since the upper surface of the lower wiring 16 is arranged below the upper surface of the first barrier insulating film 13, the upper surface of the first barrier insulating film 13 and the lower wiring 16 are formed in the first groove 14 a. A step is formed between the upper surface and the upper surface.
[0086]
Next, as shown in FIG. 3A, the film thickness on the first interlayer insulating film 14 is formed on the first interlayer insulating film 14 over the entire surface including the lower wiring 16 by a sputtering method. The second tantalum nitride film 17A is formed to have a thickness of about 20 nm. Thereby, the second tantalum nitride film 17A is also formed in a region between the upper surface of the first barrier insulating film 13 and the upper surface of the lower wiring 16.
[0087]
Next, as shown in FIG. 3B, a portion of the second tantalum nitride film 17A above the first interlayer insulating film 14 is removed by a CMP method to remove the second tantalum nitride film 17A from the second tantalum nitride film 17A. The barrier metal film 17 is formed, and the upper surface of the first interlayer insulating film 14 is flattened.
[0088]
Here, since the upper surface of the lower wiring 16 is disposed between the upper surface and the lower surface of the first barrier insulating film 13, the second tantalum nitride film 17 </ b> A is exposed on the upper surface of the first interlayer insulating film 14. Then, the second barrier insulating film 17 is formed in a self-aligned manner with respect to the first groove 14a.
[0089]
That is, the second barrier metal film 17 is formed such that the upper surface thereof substantially coincides with the upper surface of the first barrier insulating film 13, and the thickness thereof is from the upper surface of the first barrier insulating film 13 to the upper surface of the lower wiring 16. To a thickness of about 10 nm to 20 nm, which is a depth up to 10 nm. Thus, the second barrier metal film 17 can be formed to have a sufficient thickness to prevent diffusion of copper atoms.
[0090]
Next, as shown in FIG. 3C, a second layer having a thickness of about 200 nm is formed on the first interlayer insulating film 14 over the entire surface including the second barrier metal film 17 by the CVD method. An insulating film 18, a second barrier insulating film 19 having a thickness of about 70 nm, a third insulating film 20 having a thickness of about 200 nm, and a third barrier insulating film 21 having a thickness of about 70 nm are sequentially formed. accumulate. Thus, the second interlayer formed of the second insulating film 18, the second barrier insulating film 19, the third insulating film 20, and the third barrier insulating film 21 is formed on the first interlayer insulating film 14. An insulating film 22 is formed.
[0091]
Next, as shown in FIG. 3D, the second interlayer insulating film 22 is patterned by photolithography and dry etching to form a second trench 22a having a width of about 240 nm and a depth of about 250 nm. The connection hole 22b having a diameter of about 140 nm and a depth of about 250 nm is formed. Here, the second barrier insulating film 19 becomes an etching stopper film when patterning the second groove 22a. Therefore, the depth of the second groove 22a is the depth from the upper surface of the third barrier insulating film 21 to the upper surface of the second barrier insulating film 19, and the depth of the connection hole 22b is the second barrier insulating film. The depth is from the upper surface of the first barrier metal film 19 to the upper surface of the second barrier metal film 17.
[0092]
In a photolithography method for forming the connection hole 22b, a photomask for patterning the connection hole 22b is aligned (aligned) with the second interlayer insulating film 22 so that the mask pattern is The position is adjusted so that the entire region of the opening for forming the portion 22b is arranged on the upper surface of the lower wiring 16.
[0093]
Next, as shown in FIG. 4A, the connection is formed on the second interlayer insulating film 22 over the entire surface including the wall surface and the bottom surface of the second groove portion 22a and the connection hole portion 22b by the sputtering method. The third tantalum nitride film 23A is formed so that the thickness at the bottom surface of the hole 22b is about 20 nm.
[0094]
Next, as shown in FIG. 4B, anisotropic etching is performed on the third tantalum nitride film 23A and the second barrier metal film 17 by dry etching to form a lower wiring on the bottom surface of the connection hole 22b. Expose 16. Here, as an etching gas for etching the third tantalum nitride film 23A and the second barrier metal film 17, in the tantalum nitride dry etching step, argon (T) can remove tantalum nitride and silicon nitride at almost the same rate. Ar) is performed by sputter etching using a gas.
[0095]
As a result, a portion of the third tantalum nitride film 23A formed on the upper surface of the second interlayer insulating film 22 and a portion formed on the bottom surface of the second groove 22a and the connection hole 22b are removed. A third barrier metal film 23 is formed from the third tantalum nitride film 23A so as to cover the wall surfaces of the second groove 22a and the connection hole 22b.
[0096]
Next, as shown in FIG. 4C, the second trench 22a and the connection hole 22b are buried on the second interlayer insulating film 22 by a sputtering method and an electroplating method so as to fill the inside. Is deposited.
[0097]
Next, as shown in FIG. 5A, a portion of the second copper film 24A above the second interlayer insulating film 22 in the second copper film 24A is removed, and planarization is performed. Also in this flattening step, the depth from the upper surface of the third barrier insulating film 21 to the upper surface of the second copper film 24A is set to 10 to 10 by setting the second copper film 24A to be over-polished. The second copper film 24A is polished and removed until the thickness becomes about 20 nm. Thus, the upper wiring 24 whose upper surface is disposed between the upper surface and the lower surface of the third barrier insulating film 21 is formed from the second copper film 24A, and the connection hole in the second copper film 24A is formed. The region formed in the part 22b becomes a wiring connection part 24a that connects the upper wiring 24 and the lower wiring 16.
[0098]
Next, as shown in FIG. 5B, the film thickness on the second interlayer insulating film 22 is formed on the second interlayer insulating film 22 over the entire surface including the upper wiring 24 by sputtering. A fourth tantalum nitride film 25A is formed to have a thickness of about 20 nm. As a result, the fourth tantalum nitride film 25A is also formed in a region between the upper surface of the third barrier insulating film 21 and the upper surface of the upper wiring 24.
[0099]
Next, as shown in FIG. 5C, the upper part of the second interlayer insulating film 22 in the fourth tantalum nitride film 25A is removed by the CMP method, so that the upper surface of the upper wiring 24 is formed. A fourth barrier metal film 25 is formed from the fourth tantalum nitride film 25A. As a result, the thickness of the fourth barrier metal film 25 becomes about 10 nm to 20 nm, which is the depth from the upper surface of the third barrier insulating film 21 to the upper surface of the upper wiring 24.
[0100]
Through the above steps, the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1A is completed.
[0101]
In each step of forming the first tantalum nitride film 15A, the second tantalum nitride film 17A, the third tantalum nitride film 23A, and the fourth tantalum nitride film 25A, a CVD method is used instead of a sputtering method. Is also good.
[0102]
Hereinafter, in the first method for manufacturing a semiconductor device, a part of the connection hole 22b protrudes to the side of the lower wiring 16 due to misalignment of the photomask when the connection hole 22b is formed, and the first interlayer insulating film is formed. The case where it is arranged above 14 will be described with reference to the drawings.
[0103]
FIGS. 6A to 6C and FIGS. 7A to 7C show the alignment of the photomask when the connection hole 22b is formed after the step shown in FIG. 3C. FIGS. 3D and 4A to 4D illustrate a case where a part of the connection hole portion 22b protrudes to the side of the lower layer wiring 16 and is disposed above the first barrier insulating film 13 due to displacement. 4 (c), 5 (a) and 5 (c).
[0104]
As shown in FIG. 6A, the misalignment of the photomask occurs in the process of FIG. 3D, so that the second barrier metal formed on the lower wiring 16 is formed on the bottom surface of the connection hole 22b. The film 17 is exposed, and the first barrier insulating film 13 on the side of the lower wiring 16 is exposed.
[0105]
Next, as shown in FIG. 6B, a third tantalum nitride film 23A is formed in the same manner as in the step shown in FIG. 4A. As a result, the third tantalum nitride film 23A is formed on the upper surface of the second barrier metal film 17 and the upper surface of the first barrier insulating film 13 on the bottom surface of the connection hole 22b.
[0106]
Next, as shown in FIG. 6C, anisotropic etching is performed on the third tantalum nitride film 23A and the second barrier metal film 17 in the same manner as in the step shown in FIG. The lower wiring 16 is exposed at the bottom of the hole 22b. Here, as an etching agent for removing the third tantalum nitride film 23A and the second barrier metal film 17, an etching agent capable of removing tantalum nitride and silicon nitride at almost the same speed is used. When the etching is performed until the upper surface of the lower wiring 16 is exposed, the first barrier insulating film 13 located on the bottom surface of the connection hole is also etched.
[0107]
In this dry etching step, etching is performed until the lower wiring 16 is exposed. Therefore, when a portion of the first barrier insulating film 13 above the lower wiring 16 is removed, the etching stops. Therefore, the first barrier insulating film 13 remains on the side of the lower wiring 16, and the first insulating film 12 is not exposed.
[0108]
Specifically, the depth dimension at which the first barrier insulating film 13 is etched in the dry etching step is the same as the depth dimension at which the first barrier insulating film 13 is over-polished in the CMP step of FIG. The region of the insulating film 13 facing the connection hole 22b is etched by about 10 to 20 nm to a thickness of about 50 to 60 nm, and a sufficient film thickness for realizing a barrier property against copper atoms is secured.
[0109]
Next, as shown in FIG. 7A, a second copper film 24A is deposited to fill the inside of the second groove 22a and the connection hole 22b in the same manner as in the step shown in FIG. 4C. I do.
[0110]
Next, as shown in FIG. 7B, the upper part of the second interlayer insulating film 22 in the second copper film 24A is removed in the same manner as in the step shown in FIG. The upper wiring 24 and the wiring connection portion 24a are formed from the copper film 24A, and the upper surfaces of the second interlayer insulating film 22 and the upper wiring 24 are flattened.
[0111]
Here, since the first barrier insulating film 13 having a thickness of about 30 to 40 nm remains on the bottom surface of the connection hole portion 22b on the side of the lower wiring 16, the copper forming the wiring connection portion 24a is formed. The atoms do not diffuse into the first insulating film 12.
[0112]
Next, as shown in FIG. 7 (c), a fourth tantalum nitride film is deposited and then its upper portion is polished and removed in the same manner as in the steps shown in FIGS. 5 (b) and 5 (c). A fourth barrier metal film 25 is formed on the upper surface of the upper wiring 24.
[0113]
As described above, according to the method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment, a part of the connection hole portion 22 b protrudes to the side of the lower wiring 16 due to misalignment and is disposed on the first interlayer insulating film 14. Even in this case, only the portion of the first barrier insulating film 13 exposed on the bottom surface of the connection hole 22b above the upper surface of the lower wiring 16 is removed. Therefore, the first barrier insulating film 13 can prevent the wiring material from diffusing from the wiring connection portion 24a to the first insulating film 12.
[0114]
(Second embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0115]
8A to 8C, 9A, and 9B show a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment. 8 (a) to 8 (c), 9 (a) and 9 (b), the same members as those used in the description of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described. The description is omitted by attaching the same reference numerals. Note that, in the second embodiment, the case where the connection holes 22b are normally arranged is the same as in the first embodiment, and thus illustration and description are omitted.
[0116]
As shown in FIG. 8A, first, first steps are performed on the semiconductor substrate 11 in the same manner as in FIGS. 2A to 2E and FIGS. 3A to 3C. After the formation of the interlayer insulating film 14 and the lower wiring 16, a second interlayer insulating film 22 is formed, and then the second interlayer insulating film 22 is formed on the second interlayer insulating film 22 in the same manner as in the step shown in FIG. The groove 22a and the connection hole 22b are formed. Here, due to misalignment in the step of forming the connection hole 22b, a part of the connection hole 22b protrudes to the side of the lower wiring 16 and is disposed above the first barrier insulating film 13.
[0117]
After that, in the same manner as the steps shown in FIGS. 4A and 4B, the second interlayer insulating film 22 includes the second groove 22a and the bottom surface and the wall surface of the connection hole 22b. After forming the third tantalum nitride film over the entire surface, the third tantalum nitride film and the second barrier metal film 17 located on the bottom surface of the connection hole 22b are removed by anisotropic dry etching to form the connection hole 22b. The lower wiring 16 is exposed on the bottom surface of the substrate.
[0118]
Here, in the second embodiment, in the anisotropic etching for exposing the lower layer wiring 16, an etching agent having a higher etching rate for tantalum nitride than silicon nitride is used. As shown in (1), the portion of the first barrier insulating film 13 exposed on the bottom surface of the connection hole 22b is hardly etched. Here, as an etching gas having a higher etching rate with respect to tantalum nitride than silicon nitride, for example, a plasma gas mainly containing chlorine gas or a mixed gas containing chlorine is used.
[0119]
Next, as shown in FIG. 8B, a second copper film 24A is deposited to fill the inside of the second groove 22a and the connection hole 22b in the same manner as in the step shown in FIG. 4C. I do.
[0120]
Next, as shown in FIG. 8C, the upper part of the second interlayer insulating film 22 in the second copper film 24A is removed in the same manner as in the step shown in FIG. The upper wiring 24 and the wiring connection portion 24a are formed from the copper film 24A, and the upper surfaces of the second interlayer insulating film 22 and the upper wiring 24 are flattened.
[0121]
Next, as shown in FIG. 9A, the fourth interlayer insulating film 22 is formed on the entire surface including the upper layer wiring 24 in the same manner as in the step shown in FIG. A tantalum nitride film 25A is deposited.
[0122]
Next, as shown in FIG. 9B, the fourth tantalum nitride film 25A is polished and removed until the upper surface of the second interlayer insulating film 22 is exposed, similarly to the step shown in FIG. 5C. Thereby, a fourth barrier metal film 25 covering the upper surface of the upper wiring 24 is formed from the fourth tantalum nitride film 25A.
[0123]
As described above, according to the method of manufacturing the semiconductor device of the second embodiment, the first barrier insulating film 13 is hardly etched in the step of exposing the lower wiring 16, so that the first barrier insulating film 13 is exposed at the bottom surface of the connection hole 22b. Even if the thickness of the first barrier insulating film 13 is set to about 50 nm, a sufficient barrier property against copper atoms can be secured after the lower wiring 16 is exposed. Therefore, in the second embodiment, the thickness of the first barrier insulating film 13 can be made smaller than that in the first embodiment, so that the capacitance between wirings can be further reduced.
[0124]
In the first and second embodiments, the material forming the lower wiring 16, the upper wiring 24, and the wiring connection portion 24a is not limited to copper, and may be an alloy containing copper. Further, different materials may be used for the lower layer wiring 16, the upper layer wiring 24, and the wiring connection portion 24a.
[0125]
In the first embodiment and the second embodiment, the material forming the first barrier insulating film 13, the second barrier insulating film 19, and the third barrier insulating film 21 is not limited to silicon nitride. Any insulation having a barrier property against copper atoms may be used. For example, even if silicon carbide (SiC) is used for one or more of the first barrier insulating film 13, the second barrier insulating film 19, and the third barrier insulating film 21, silicon nitride is used. Similarly, the diffusion of the wiring material forming the lower wiring 16, the upper wiring 24 and the wiring connection portion 24a can be prevented.
[0126]
In the first embodiment and the second embodiment, each barrier metal film (that is, the first barrier metal film 15, the second barrier metal film 17, the third barrier metal film 23, and the fourth barrier metal film 23) is used. The material forming the metal film 25) is not limited to tantalum nitride, and another material having a barrier property against copper atoms may be used. In particular, by using a conductive material such as tantalum (Ta), tungsten nitride (WN), or tantalum nitride silicide (TaSiN) as a material forming each barrier metal film, the effect of reducing the capacitance between wirings can be obtained. can get.
[0127]
In the first embodiment and the second embodiment, when another wiring is not formed on the upper wiring, the fourth barrier metal film 25 formed on the upper wiring 24 and the second The third barrier insulating film 21 constituting the uppermost layer of the interlayer insulating film 22 may be omitted.
[0128]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device and the method of manufacturing the same of the present invention, since the wiring material can move between the lower wiring and the wiring connection portion, the electromigration resistance is improved, and the first wiring formed on the lower wiring is formed. Since the diffusion of the wiring material from the lower wiring to the second insulating film can be prevented by the diffusion preventing film, the capacitance between the wirings does not increase. Further, even when the alignment connection is misaligned and the wiring connection portion is arranged so as to protrude to the side of the lower wiring, the wiring material is transferred from the wiring connection portion to the first insulating layer by the first diffusion prevention insulating layer. Can be prevented from being diffused. Therefore, it is possible to improve the EM resistance and prevent the diffusion of the wiring material due to the misalignment without increasing the capacitance between the wirings.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention; FIG. FIG. 9 is a cross-sectional configuration view showing a case where a part of a connection hole is formed so as to protrude to the side of a lower wiring.
FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention in the order of steps.
FIGS. 3A to 3D are cross-sectional views in the order of steps showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 4A to 4D are sectional views in the order of steps showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 5A to 5D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention in the order of steps.
FIGS. 6A to 6D show a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, in which a misalignment occurs and a part of a connection hole protrudes to the side of a lower wiring; FIG. 4 is a cross-sectional view of a configuration in a process order showing a case where the power supply is performed.
FIGS. 7A to 7D show a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, in which a misalignment occurs and a part of a connection hole protrudes to the side of a lower wiring; FIG. 4 is a cross-sectional view of a configuration in a process order showing a case where the power supply is performed.
FIGS. 8A to 8D show a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, in which a portion of a connection hole protrudes to the side of a lower wiring due to misalignment. It is a structure sectional view of a process order in a case.
FIGS. 9A to 9D show a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, in which a part of a connection hole protrudes to the side of a lower wiring due to misalignment. It is a structure sectional view of a process order in a case.
FIG. 10 is a configuration sectional view showing a semiconductor device according to a first conventional example.
FIG. 11A is a cross-sectional configuration diagram illustrating a semiconductor device according to a second conventional example, and FIG. 11B is a diagram illustrating a semiconductor device according to a second embodiment; FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration in which a part of the semiconductor device is formed so as to protrude to the side of a lower wiring.
FIG. 12A is a cross-sectional configuration diagram illustrating a semiconductor device according to a third conventional example, and FIG. 12B is a diagram illustrating a semiconductor device according to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration in which a part of the semiconductor device is formed so as to protrude to the side of a lower wiring.
[Explanation of symbols]
11 Semiconductor substrate (semiconductor area)
12 First insulating film (first insulating layer)
13 First barrier insulating film (first diffusion prevention insulating layer)
14 First interlayer insulating film
14a First groove (groove)
15 First barrier metal film
15A First tantalum nitride film
16 Lower layer wiring
16A First copper film (lower wiring formation film)
17 Second barrier metal film (first diffusion prevention film)
17A Second tantalum nitride film (first diffusion barrier film forming film)
18 Second insulating film
19 Second barrier insulating film
20 Third insulating film
21. Third barrier insulating film (second diffusion preventing insulating layer)
22 Second interlayer insulating film
22a Second groove
22b Connection hole
23 Third barrier metal film
23A Third Tantalum Nitride Film
24 Upper layer wiring
24a Wiring connection
24A Second copper film (upper wiring formation film)
25 Fourth barrier metal film (second diffusion prevention film)
25A Fourth Tantalum Nitride Film

Claims (12)

半導体領域の上方に形成され、第1の配線材料からなる下層配線と、
前記半導体領域上に形成され、前記半導体領域と前記下層配線との間を絶縁する第1の層間絶縁膜と、
前記下層配線の上方に形成され、第2の配線材料からなる上層配線と、
前記第2の配線材料からなり、前記下層配線の上面と前記上層配線の下面との間を接続する配線接続部と、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成され、前記下層配線と前記上層配線との間を絶縁する第2の層間絶縁膜と、
前記下層配線の上面における前記配線接続部が形成される部分を除く領域に形成され、前記第1の配線材料の拡散を防止する第1の拡散防止膜とを備え、
前記第1の層間絶縁膜は、第1の絶縁層と該第1の絶縁層の上に形成され且つ前記第1の配線材料及び前記第2の配線材料の拡散を防止する第1の拡散防止絶縁層とからなり、
前記下層配線の上面は、前記第1の拡散防止絶縁層の上面と下面との間に位置するように設けられていることを特徴とする半導体装置。
A lower layer wiring formed above the semiconductor region and made of a first wiring material;
A first interlayer insulating film formed on the semiconductor region and insulating between the semiconductor region and the lower wiring;
An upper layer wiring formed above the lower layer wiring and made of a second wiring material;
A wiring connection portion made of the second wiring material and connecting between an upper surface of the lower wiring and a lower surface of the upper wiring;
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film and insulating between the lower wiring and the upper wiring;
A first diffusion prevention film formed in a region of the upper surface of the lower wiring other than a portion where the wiring connection portion is formed, and preventing diffusion of the first wiring material;
The first interlayer insulating film is formed on the first insulating layer and the first insulating layer, and is a first diffusion barrier for preventing the diffusion of the first wiring material and the second wiring material. Consisting of an insulating layer,
A semiconductor device, wherein an upper surface of the lower wiring is provided between an upper surface and a lower surface of the first diffusion prevention insulating layer.
前記第1の拡散防止膜は導電性材料からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first diffusion prevention film is made of a conductive material. 前記第1の配線材料及び前記第2の配線材料は銅又は銅を含む合金であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first wiring material and the second wiring material are copper or an alloy containing copper. 4. 前記第1の拡散防止膜を構成する材料はタンタル、窒化タンタル、窒化タングステン及び窒化珪化タンタルのうちのいずれか1つであることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 3, wherein a material forming the first diffusion prevention film is any one of tantalum, tantalum nitride, tungsten nitride, and tantalum nitride silicide. 前記第1の拡散防止絶縁層を構成する材料は窒化シリコン又は炭化シリコンであることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 3, wherein a material forming the first diffusion prevention insulating layer is silicon nitride or silicon carbide. 前記上層配線の上を覆い且つ前記第2の配線材料の拡散を防止する第2の拡散防止膜をさらに備え、
前記第2の層間絶縁膜は、第2の絶縁層と、該第2の絶縁層の上に形成され且つ前記第2の配線材料の拡散を防止する第2の拡散防止絶縁層を有し、
前記上層配線の上面は、前記第2の拡散防止絶縁層における上面の位置と下面の位置との間に位置するように設けられていることを特徴とする請求項1〜5のうちのいずれか1項に記載の半導体装置。
A second diffusion prevention film that covers the upper wiring and prevents diffusion of the second wiring material;
The second interlayer insulating film has a second insulating layer, and a second diffusion preventing insulating layer formed on the second insulating layer and for preventing diffusion of the second wiring material.
The upper surface of the upper layer wiring is provided so as to be located between the position of the upper surface and the position of the lower surface of the second diffusion prevention insulating layer. 2. The semiconductor device according to claim 1.
半導体領域上に第1の絶縁層及び第1の拡散防止絶縁層を順次積層して第1の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の層間絶縁膜に溝部を形成する工程と、
前記溝部の内部に、その上面が前記第1の拡散防止絶縁層の上面と下面との間に位置するように下層配線を形成する工程と、
前記下層配線の上に第1の拡散防止膜を形成する工程と、
前記第1の拡散防止絶縁層の上に前記第1の拡散防止膜の上を含む全面にわたって、第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜に、該第2の層間絶縁膜を貫通する開口部を形成して前記第1の拡散防止膜を露出する工程と、
前記開口部に露出した前記第1の拡散防止膜を除去して前記開口部の底面に下層配線を露出する工程と、
前記開口部の内部に配線接続部及び上層配線を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first interlayer insulating film by sequentially stacking a first insulating layer and a first diffusion prevention insulating layer on the semiconductor region;
Forming a groove in the first interlayer insulating film;
Forming a lower wiring inside the trench such that the upper surface is located between the upper surface and the lower surface of the first diffusion prevention insulating layer;
Forming a first diffusion barrier film on the lower wiring,
Forming a second interlayer insulating film over the entire surface including the first diffusion preventing film on the first diffusion preventing insulating layer;
Forming an opening through the second interlayer insulating film in the second interlayer insulating film to expose the first diffusion barrier film;
Removing the first diffusion barrier film exposed in the opening to expose a lower wiring on the bottom surface of the opening;
Forming a wiring connection portion and an upper wiring inside the opening.
前記下層配線を露出する工程において、前記第1の拡散防止膜を構成する材料と前記第1の拡散防止絶縁層を構成する材料とをエッチング可能なエッチング剤を用いて、前記開口部に露出した前記第1の拡散防止膜を除去することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。In the step of exposing the lower wiring, the material forming the first diffusion prevention film and the material forming the first diffusion prevention insulating layer are exposed to the opening using an etchant capable of etching. The method according to claim 7, wherein the first diffusion barrier film is removed. 前記下層配線を露出する工程において、前記第1の拡散防止絶縁層を構成する材料に対するエッチング速度よりも、前記第1の拡散防止膜を構成する材料に対するエッチング速度の方が大きいエッチング剤を用いて、前記開口部に露出した前記第1の拡散防止膜をエッチング除去することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。In the step of exposing the lower wiring, using an etchant having an etching rate higher than that of the material forming the first diffusion prevention insulating layer than that of the material forming the first diffusion prevention insulating layer. 8. The method according to claim 7, wherein the first diffusion barrier film exposed in the opening is removed by etching. 前記下層配線を形成する工程は、前記第1の層間絶縁膜の上に前記溝部の上を含む全面にわたって下層配線形成膜を形成する工程と、前記下層配線形成膜を、上面が前記第1の拡散防止絶縁層の上面と下面との間に位置する程度にまで研磨除去することにより、前記下層配線形成膜から前記下層配線を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項7〜9のうちのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。The step of forming the lower wiring includes forming a lower wiring forming film over the entire surface including the groove on the first interlayer insulating film; and forming the lower wiring forming film on the first interlayer insulating film. Forming the lower wiring from the lower wiring forming film by polishing and removing the lower wiring to such an extent that the lower wiring is positioned between the upper surface and the lower surface of the diffusion prevention insulating layer. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the preceding claims. 前記第1の拡散防止膜を形成する工程は、
前記第1の拡散防止絶縁層の上に、前記下層配線の上を含む全面にわたって導電性材料からなる第1の拡散防止膜形成膜を形成する工程と、
前記第1の拡散防止絶縁層の上面が露出するように前記第1の拡散防止膜形成膜の上部を除去することにより、前記第1の拡散防止膜形成膜から前記第1の拡散防止膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項7〜10のうちのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
The step of forming the first diffusion prevention film comprises:
Forming a first diffusion prevention film forming film made of a conductive material over the entire surface including the lower wiring, on the first diffusion prevention insulating layer;
The first diffusion barrier film is removed from the first diffusion barrier film by removing an upper portion of the first diffusion barrier film so that the upper surface of the first diffusion barrier insulating layer is exposed. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising a step of forming.
前記上層配線を形成する工程よりも後に、前記上層配線の上に第2の拡散防止膜を形成する工程をさらに備え、
前記第2の層間絶縁膜を形成する工程は、前記第1の層間絶縁膜の上に第2の絶縁層と第2の拡散防止絶縁層とを順次形成する工程を含み、
前記上層配線を形成する工程は、
前記第2の層間絶縁膜の上に前記開口部の内部を含む全面にわたって上層配線形成膜を形成する工程と、
前記上層配線形成膜を、上面が前記第2の拡散防止絶縁層の上面と下面との間に位置する程度にまで研磨除去することにより、前記上層配線形成膜から前記上層配線を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項7〜11のうちのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
Forming a second diffusion barrier film on the upper wiring, after the step of forming the upper wiring,
The step of forming the second interlayer insulating film includes a step of sequentially forming a second insulating layer and a second diffusion prevention insulating layer on the first interlayer insulating film,
The step of forming the upper layer wiring,
Forming an upper wiring forming film over the entire surface including the inside of the opening on the second interlayer insulating film;
Forming the upper wiring from the upper wiring forming film by polishing and removing the upper wiring forming film to such an extent that the upper surface is located between the upper surface and the lower surface of the second diffusion prevention insulating layer; The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising:
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