JP2005038999A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、埋設(ダマシン)構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
LSIの高集積化に伴い、内部配線の微細化が進み、微細配線の低抵抗化、および信頼性の改善に対する要求が高まっている。そのため、従来より配線材料として広く使われてきたアルミニウム、またはアルミニウム合金に変わって、抵抗値の低い銅を用いるようになってきている。
【0003】
さらに、銅配線の信頼性を向上させるために、銅中に銀やアルミニウムなどを添加し、配線を形成することが検討されている。添加物を含むことにより、原子流を抑えることができ、それによりエレクトロマイグレーション耐性が向上する。また、幅の広い配線において生じるストレスマイグレーションによる不良を抑制することができる。
【0004】
図7は、従来の技術にかかる半導体装置の一部を模式的に示した概略断面図である。基板110上に下層の銅配線用のキャップ層120が形成され、キャップ層120上に絶縁膜130が形成され、絶縁膜130の上面には所定の凹部である溝131,132(以下、溝とする)が形成されている。ここで、所定の溝131,132は少なくとも2つ有り、一方の溝131に比べ、他方の溝132はより微細になるように形成されている。溝131,132が形成された絶縁膜130を被覆するようにバリアメタル133が形成されている。
また、一方の溝131を埋め込むように第1の導電層140が形成され、他方の溝132を埋め込むように第2の導電層150が形成されている。ここで、キャップ層120は層構成および下層に用いる導電層の材料に応じて形成しなくてもよい。また、絶縁膜130と第1および第2の導電層140,150との間のバリアメタル133は導電層の材料に応じて形成しなくてもよい。
【0005】
図8は、従来の半導体装置にかかる製造方法の一例を順次模式的に示す概略断面図である。
まず、図8(a)に示すように、基板110の上面に下層の銅配線用のキャップ層120を形成し、キャップ層120の上面に絶縁膜130を形成する。次に、絶縁膜130に、複数の溝131,132を形成する。このとき、一方の溝131に比べ、他方の溝132はより微細になるように形成される。
次に、必要に応じて絶縁膜130を覆うようにバリアメタル133を形成する。その後、バリアメタル133の上面にシード層135を形成する。シード層135は、たとえば、銅−銀合金ターゲットによるイオン化スパッタリング法を用いて、添加物として、たとえば銀を含有する銅の層を形成する。
【0006】
次に、図8(b)に示すように、バリアメタル133およびシード層135に覆われた絶縁膜130上に、導電層となる銅の埋め込み膜136を形成する。埋め込み膜136は、たとえば、めっき法などにより形成される。このとき、他方の溝132のように微細な溝においては、導電層領域内で空孔ができないようにするため、側壁からの成長よりも、底辺からの成長が速くなるようなめっき液を用いて形成する。また、埋め込み膜136は、少なくとも溝131,132を完全に埋め込み、後の工程で研磨したときに、表面が露出されないような膜厚で形成される。
次に、図8(c)に示すように、埋め込み膜136を層間絶縁膜130が露出されるまで研磨した後に、加熱処理を行う。このとき、加熱処理によりシード層135中に含まれる添加物を拡散させる。その結果、図7に示すように、添加物が含有された第1および第2の導電層140,150が形成される。
【0007】
また、図9は、従来の半導体装置にかかる製造方法の他の例を順次模式的に示す概略断面図である。
まず、図9(a)に示すように、図8(a)と同様にして絶縁膜130まで形成し、絶縁膜130の上面に、複数の溝131,132を形成する。このとき、一方の溝131は他方の溝132よりも広い幅になるように形成される。次に、絶縁膜130を覆うようにバリアメタル133を形成する。その後、バリアメタル133の上面にシード層を形成し、さらに、めっき法などにより銅からなる第1の埋め込み膜136を形成する。上記の例と同様に、第1の埋め込み膜136は、少なくとも溝131,132を完全に埋め込み、後の工程で研磨したときに、その表面が露出されないような膜厚で形成される。
【0008】
次に、図9(b)に示すように、第1の埋め込み膜136の上面に添加物として銀を含有する銅からなる第2の埋め込み膜137を形成する。
次に、図9(c)に示すように、加熱処理を行い、第2の埋め込み膜137に含有された添加物を第1の埋め込み膜136に均一に拡散させる。
その後、絶縁膜130が露出するまで埋め込み膜136,137を研磨する。その結果、図7に示すように、添加物を含有する第1および第2の導電層140,150を形成する。
【0009】
上記のような、従来の半導体装置の製造方法として、層間絶縁膜に形成された凹部に銅を流動させて埋め込み、その後、銅上に不純物材料を堆積し、加熱処理を行って不純物材料を銅中に拡散させて銅合金配線を形成する方法が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
【0010】
【特許文献1】
特開平11−102909号公報 (第2−6頁、第1−4図)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の方法においては、添加物を含有することにより、より微細な第2の導電層150の抵抗値が上昇しやすくなる。
たとえば、図8に示すような前者の方法においては、より微細な第2の導電層150に占めるシード層の割合が高い。そのため、第2の導電層150における添加物の濃度が第1の導電層140における添加物の濃度よりも高くなり、抵抗値の上昇も大きくなる。また、めっき法などの成膜工程を見直す必要が生じる。一方、図9に示すような後者の方法においては、めっき法などの成膜工程を見直す必要はない。しかし、添加物の拡散により、第1の導電層140よりも微細な第2の導電層150の抵抗値の上昇は、前者ほどではないが、避けられない。
【0012】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の導電層を同時に形成する際に、一方の導電層に比べ微細な他方の導電層の抵抗の上昇を抑えつつ、一方の導電層の信頼性を向上させることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、上記の本発明の半導体装置の製造方法は、基板に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に導電層の形成領域となる複数の凹部を形成する工程と、前記絶縁膜に形成された前記凹部を埋め込むように第1の導電層および第2の導電層を形成する工程とを有し、前記第1の導電層に比べ、前記第2の導電層がより微細な導電層となるように前記凹部を形成し、前記第1の導電層に含有され、マイグレーションの抑制機能を有する添加物の濃度を、前記第2の導電層の前記添加物の濃度よりも高く形成する。
【0014】
上記の本発明の半導体装置の製造方法においては、基板の上面に絶縁膜を形成し、絶縁膜に導電層の形成領域となる複数の凹部を形成し、絶縁膜に形成された凹部を埋め込むように第1の導電層および第2の導電層を形成する。ここで、第1の導電層に比べ、第2の導電層がより微細な導電層となるように凹部を形成し、第1の導電層に含有され、マイグレーションの抑制機能を有する添加物の濃度を、第2の導電層の添加物の濃度よりも高く形成する。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は本実施形態にかかる半導体装置を模式的に示した平面図である。基板10上に下層の銅配線用のキャップ層20が形成され、キャップ層20上に絶縁膜30が形成されている。絶縁膜30には所定の凹部である溝31,32(以下、溝とする)が形成されている。ここで、所定の溝31,32は少なくとも2つ有り、一方の溝31に比べて、他方の溝32の方がより微細になるように形成されている。溝31,32の側面および底面には、バリアメタル33が形成されている。また、一方の溝31を埋め込むように第1の導電層40が形成され、他方の溝32を埋め込むように第2の導電層50が形成されている。ここで、キャップ層20は層構成および下層に用いる導電層の材料に応じて形成しなくてもよい。第1および第2の導電層40,50は、たとえば、銅を含有する導電性材料から構成される。
【0016】
図2〜4は、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示した概略断面図である。
本実施形態においては、導電層として銅を含有する導電性材料を用いる。一般に、銅は反応性イオンエッチング(RIE;Reactive Ion Etching)によるエッチングが困難とされている。そのため、絶縁膜30に形成された溝31,32に導電性膜を埋め込んで、化学的機械的研磨(CMP:Chemical−Mechanical Polishing)法などにより平坦化するダマシン法により導電層を形成する。
【0017】
まず、図2(a)に示すように、基板10に、下層の銅配線のキャップ層20を形成する。銅配線のキャップ層20としては、シリコン窒化膜(SiN)やシリコン炭化膜(SiC)などを用いる。次に、キャップ層20に、層間容量膜および線間容量膜となる絶縁膜30を形成する。絶縁層30としては、配線の微細化に伴う配線間容量の増加、つまり、配線遅延を抑制するために、従来使用されてきたシリコン酸化膜(SiO2 )よりも比誘電率の小さいものが望ましい。たとえば、塗布法により形成されるMSQおよびHSQ(MSQ;MethylSilsequioxane,HSQ;Hydrogen Silsequioxane)などのシロキサン系ポリマーや化学的気相成長(CVD;Chemical Vapor Deposition)法により形成されるSiOC系材料などが挙げられる。
【0018】
次に、図2(b)に示すように、絶縁膜30に既存のリソグラフィー技術、およびRIE技術などを用いて導電層の形成領域となる複数の溝31,32を形成する。このとき、一方の溝31に比べて、他方の溝32がより微細になるようにそれぞれ形成する。たとえば、一方の溝31の幅を3μm、他方の溝32の幅を100nm、およびそれぞれの深さを240nm程度に形成する。
【0019】
次に、図2(c)に示すように、溝31,32の側面および底面に、後に形成される導電層の拡散防止、および密着性向上を目的として、バリアメタル33を形成する。バリアメタルとしては、タンタル、窒化タンタル、炭化タンタル、チタン、窒化チタン、チタンタングステン、タングステン、タングテンシリサイド、窒化タングステン、窒化タングステンシリサイド、モリブデン、ニオブ、およびこれらの積層体などが用いられる。これらの材料は、CVD法やイオン化スパッタリング法など用いる材料に応じて適宜好適な方法により形成される。本実施形態においては、たとえば、窒化タンタルおよびタンタルの積層体を15nm程度形成する。
【0020】
次に、図3(d)に示すように、バリアメタル33の上面にシード膜35を形成する。シード膜35としては、後に形成される第1の埋め込み膜と同材料である銅を、たとえば、イオン化スパッタリング法を用いて形成する。膜厚は、たとえば、60nm程度とする。
【0021】
次に、図3(e)に示すように、シード膜35を電極として硫酸銅液などを用いた電解めっき法などにより第1の埋め込み膜36として、たとえば銅を埋め込む。このとき、埋め込みの難しい微細な溝32において、空孔ができないようにするために、底面からの成長速度が壁面からの成長速度よりも速くなるようなボトムアップ性を有する添加剤をめっき液中に加えている。そのため、溝31,32の線幅によって埋め込み終了時間に差が生じる。つまり、より微細な溝32はより幅の広い溝31に比べて速く埋め込まれる。
第1の埋め込み膜36は、より幅の広い溝31における第1の埋め込み膜36の表面の一部が、絶縁膜30の上面aよりも低い位置になるような膜厚に形成される。同時に、より微細な溝32における第1の埋め込み膜36の表面が、絶縁膜30の上面よりも十分高い位置になるように形成する。
【0022】
このような、溝31,32の線幅に応じた埋め込み膜の膜厚の違いは、上記のようなボトムアップ性の高いめっき液を用い、めっき液の組成、濃度、温度、および電界などを調整することによって形成することができる。たとえば、溝31における第1の埋め込み膜の最小のめっき膜厚h1 を80nm(上記のバリアメタル15nmおよびシード膜60nmと合わせると155nm)とし、第2の埋め込み膜37が堆積される最大深さh2 を15nm程度残す。また、このときの溝32の上面のメッキ膜h3 は、最大200nm程度とする。
【0023】
次に、図3(f)に示すように、たとえば銀やアルミニウムなどの添加物、あるいはそれらと銅との合金からなる第2の埋め込み膜37をスパッタリング法により形成する。添加物としては、第1の埋め込み膜36のマイグレーション抑制機能を有し、後の加熱処理により銅中への拡散が容易である導電性物質が好ましく、銀、アルミニウムのほかに、たとえば錫、インジウム、ジルコニア、およびマグネシウムなどが挙げられる。いいかえれば、銅中に300〜400℃程度で銅膜中へ充分に固溶するための拡散速度が得られるような材料が好ましい。
第2の埋め込み膜37は、溝31において絶縁膜30の上面よりも高い位置まで形成する。つまり、後の除去する工程において、平坦化されるのに充分な膜厚が必要である。本実施形態においては、添加物を銀とし、銅−銀合金膜1wt%とし、堆積膜厚を620nmとする。
【0024】
次に、図4(g)に示すように、第1および第2の埋め込み膜36,37を上方から絶縁膜30が露出するまでCMP法などにより平坦化しながら除去する。このとき、CMP法により研磨される絶縁膜30は70nm程度とする。また、溝31における第2の埋め込み膜37の割合は、たとえば0.1%以下とする。この割合は、第2の埋め込み膜37に含有する添加物濃度などに依存する。
次に、図4(h)に示すように、不活性ガス雰囲気下で添加物が溝31に形成された埋め込み膜内に充分拡散するような条件で加熱を行うとともに、銅の粒成長を行う。このときの条件として、たとえば、アルゴン雰囲気下、酸素濃度30ppm以下、350℃、および1時間とし、ホットプレートおよび縦型炉などを用いて行う。アルゴン以外の不活性ガス雰囲気、真空中、窒素雰囲気、あるいは希釈水素雰囲気などのもとで加熱を行うこともできる。
これにより、第1の導電層40および第1の導電層40よりも微細な第2の導電層50を形成することができる。このとき、第1の導電層40に含有する添加物の濃度は、第2の導電層50に含有する添加物の濃度よりも高くなる。
【0025】
本実施形態においては、第1の埋め込み膜36を電解めっき法により形成したが、無電解めっき法によっても形成することができる。このとき、めっき液として、銅を化学的に還元析出する溶液を用いる。
【0026】
本実施形態によれば、複数の導電層を同時に形成する際に、研磨後において、第1の導電層の形成領域のみに第2の埋め込み膜が残るので、後の加熱処理によって第1の導電層にのみ添加物が含有される。そのため、より微細な導電層に含有される添加物濃度よりも、より幅の広い導電層の添加物濃度が高くなるように選択的に形成することができる。
したがって、微細な導電層の抵抗値を損なうことなくより幅の広い導電層のエレクトロマイグレーション耐性やストレスマイグレーション耐性を向上することができる。これにより、微細化が進むごとに制約が厳しくなっている回路設計の自由度を広げることができ、高パフォーマンスな半導体装置を実現することができる。それに伴い、コンピュータ、ゲーム機ならびにモバイル機器の性能を著しく向上することができる。
【0027】
〔変形例1〕
次に、本実施形態の変形例について、図面を参照して説明する。ここで、上記の実施形態と同様の部分は番号を同じくし、説明を省略し、以下、異なる部分についてのみ説明する。
本変形例は、上記の実施形態にかかる半導体装置の他の製造方法について説明する。
図2、3および5は、本変形例にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示した概略断面図である。
まず、上記の実施形態と同様に、図2(a)〜図3(f)を参照して半導体装置を形成する。
図2(a)に示すように、基板10に、下層の銅配線のキャップ層20を形成し、キャップ層20に絶縁膜30を形成する。
次に、図2(b)に示すように、絶縁膜30に導電層の形成領域となる複数の溝31,32を形成する。このとき、一方の溝31に比べて、他方の溝32がより微細になるようにそれぞれ形成する。たとえば、一方の溝31の幅を3μm、他方の溝32の幅を100nm、およびそれぞれの深さを240nm程度に形成する。
次に、図2(c)に示すように、溝31,32の側面および底面に、バリアメタル33を形成する。たとえば、窒化タンタルおよびタンタルの積層体を15nm程度形成する。
【0028】
次に、図3(d)に示すように、バリアメタル33の上面にシード膜35を形成する。シード膜35としては、後に形成される導電層の主材料である銅を、たとえば、60nm程度の膜厚で形成する。
次に、図3(e)に示すように、電解めっき法などにより第1の埋め込み膜36として銅を埋め込む。たとえば、第1の埋め込み膜36は、より幅の広い溝31における第1の埋め込み膜36の表面の一部が、絶縁膜30の上面aよりも低い位置になるような膜厚に形成される。同時に、より微細な溝32における第1の埋め込み膜36の表面が、絶縁膜30の上面よりも十分高い位置になるように形成する。たとえば、溝31における第1の埋め込み膜の最小のめっき膜厚h1を80nmとし、第2の埋め込み膜37が堆積される最大深さh2 を15nm程度残す。また、このときの溝32の上面のメッキ膜h3 は、最大200nm程度とする。
次に、図3(f)に示すように、たとえば銀やアルミニウムなどの添加物、あるいはそれらと銅との合金からなる第2の埋め込み膜37をスパッタリング法により形成する。第2の埋め込み膜37は、溝31において絶縁膜30よりも高い位置まで形成する。つまり、後の除去する工程において、平坦化されるのに充分な膜厚が必要である。本変形例においては、添加物を銀とし、銅−銀合金膜1wt%とし、堆積膜厚を620nm程度とする。
【0029】
次に、図5(i)に示すように、不活性ガス雰囲気下において、添加物が第1の埋め込み膜36内に拡散するような条件で加熱を行うとともに、銅の粒成長を行う。このとき、溝31、および溝31と比較して微細な溝32において、それぞれの溝の底部から第1の埋め込み膜36および第2の埋め込み膜37との境界までの高さは、200nm程度の差がある(図3(e)におけるh2 +h3 )。そのため、溝31においては、第2の埋め込み膜37に含有する添加物が第1の埋め込み膜36に拡散し、より微細な溝32においては、添加物が第1の埋め込み膜36に達しないような条件において加熱を行う。あるいは、溝31中に形成された埋め込み膜における添加物濃度が、溝32中に形成された埋め込み膜における添加物濃度よりも高くなるような条件で加熱を行う。
【0030】
加熱条件として、たとえば、アルゴン雰囲気下、酸素濃度30ppm以下、200℃、および15分とし、ホットプレートおよび縦型炉などを用いて行う。アルゴン以外の不活性ガス雰囲気、真空中、窒素雰囲気、あるいは希釈水素雰囲気などのもとで加熱を行うこともできる。その結果、たとえば、図示のように、溝31においては充分に拡散し、溝32においては、第1の埋め込み膜36の膜厚が厚いため、図中の点線で示すところまでしか添加物が拡散されない。
上記のような添加物の第1の埋め込み膜36における拡散量は、第1の埋め込み膜36の膜厚、第2の埋め込み膜37の膜厚、第2の埋め込み膜37中に含有する添加物の濃度、拡散時間、拡散温度などによって制御することが可能である。一般に、拡散時間を長く、また、拡散温度を高くすると拡散量が増加する。
【0031】
次に、図5(j)に示すように、第1および第2の埋め込み膜36,37を上方から絶縁膜30が露出するまでCMP法などにより平坦化しながら除去する。このとき、CMP法により研磨される絶縁膜30は70nm程度とする。
これにより、第1の導電層40および第1の導電層40よりも微細な第2の導電層50を形成することができる。このとき、第1の導電層に含有する添加物の濃度は、第2の導電層50に含有する添加物の濃度よりも高くなる。
【0032】
本変形例においては、第1の埋め込み膜36を電解めっき法により形成したが、無電解めっき法によっても形成することができる。このとき、めっき液として、銅を化学的に還元析出する溶液を用いる。また、本変形例においては、第1の埋め込み膜36の表面の一部が、絶縁膜30の上面aよりも低い位置になるような膜厚に形成したが、これに限定されず、添加物が上記のように拡散するような膜厚であればよい。
【0033】
本変形例によれば、複数の導電層を同時に形成する際に、形成された埋め込み膜の段差を利用し、拡散条件および膜厚などを変えることにより微細な第2の導電層に含有される添加物濃度よりも、より幅の広い第1の導電層の添加物濃度が高くなるように選択的に形成することができる。
したがって、微細配線の抵抗値を損なうことなくより幅の広い導電層のエレクトロマイグレーション耐性やストレスマイグレーション耐性を向上することができる。これにより、微細化が進むごとに制約が厳しくなっている回路設計の自由度を広げることができ、高パフォーマンスな半導体装置を実現することができる。
【0034】
〔変形例2〕
本実施形態の変形例について、図面を参照して説明する。ここで、上記の実施形態と同様の部分は番号を同じくし、説明を省略し、以下、異なる部分についてのみ説明する。
本変形例は、上記の実施形態および変形例の半導体装置において、溝の底部に開口部が形成された半導体装置の製造方法である。
図6は、本変形例にかかる半導体装置を模式的に示した概略断面図である。基板10に下層配線15が形成され、下層配線15が形成された基板10の上面にキャップ層20が形成されている。キャップ層20の上面に絶縁膜30が形成され、絶縁膜30には複数の溝31,32が形成されている。溝31,32の側面および底面はバリアメタル33で覆われている。また、溝31を埋め込むように、第1の導電層40が形成され、溝32を埋め込むように第2の導電層50が形成されている。ここで、溝31の底部の一部に、下層配線15が露出するようにキャップ層20および絶縁膜30に開口部16が形成され、第1の導電層40と下層配線15とは開口部16を介して電気的に接続されている。
【0035】
開口部16は、既知のリソグラフィー技術やRIE技術などにより溝31の底部に形成される。また、開口部16を有する溝31および開口部16の側面および底面には、溝32と同様にバリアメタル33およびシード膜35を形成する。その後、溝31,32および開口部16を埋め込むように第1の埋め込み膜36を形成し、第1の埋め込み膜36上に第2の埋め込み膜37を形成する。続いて、実施形態あるいは変形例のような方法を用いて、溝31および開口部16中に添加物が拡散された導電層を形成する。
【0036】
本変形例においては、溝31に開口部16を形成したが、より微細な溝32に開口部16が形成されていてもよい。そのとき、開口部16によって溝32と電気的に接続する下層配線を有することもある。
【0037】
本変形例によれば、多層配線構造を有する半導体装置においての上記の実施形態および変形例と同様に、複数の導電層を同時に形成する際に、より微細な導電層に含有される添加物濃度よりも、より幅の広い導電層の添加物濃度が高くなるように形成することができる。
【0038】
本発明は上記の実施形態に限定されない。
たとえば、本実施形態においては、マイグレーションを抑制する添加物として、銀からアルミニウムに変更できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【0039】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、半導体装置の製造方法において、複数の導電層を同時に形成する際に、一方の導電層に比べ微細な他方の導電層の抵抗の上昇を抑えつつ、一方の導電層の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施形態および変形例1にかかる半導体装置の一部を模式的に示す概略平面図である。
【図2】図2(a)は、本発明の実施形態および変形例1にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図であり、図2(b)は、本発明の実施形態および変形例1にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図であり、図2(c)は、本発明の実施形態および変形例1にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図である。
【図3】図3(d)は、本発明の実施形態および変形例1にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図であり、図3(e)は、本発明の実施形態および変形例1にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図であり、図3(f)は、本発明の実施形態および変形例1にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図である。
【図4】図4(g)は、本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図であり、図4(h)は、本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図である。
【図5】図5(i)は、本発明の変形例1にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図であり、図5(j)は、本発明の変形例1にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図である。
【図6】図6は、変形例2にかかる半導体装置の一部を模式的に示す概略断面図である。
【図7】図7は、従来の技術にかかる半導体装置の一部を模式的に示す概略断面図である。
【図8】図8(a)は、従来の技術にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図であり、図8(b)は、従来の技術にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図であり、図8(c)は、従来の技術にかかる半導体装置の製造方法の一例の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図である。
【図9】図9(a)は、従来の技術にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図であり、図9(b)は、従来の技術にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図であり、図9(c)は、従来の技術にかかる半導体装置の製造方法の主要な工程を順次模式的に示す概略断面図である。
【符号の説明】
10…基板、15…下層配線、16…開口部、20…キャップ膜、30…絶縁膜、31,32…凹部(溝)、33…バリアメタル、35…シード膜、36…第1の埋め込み膜、37…第2の埋め込み膜、40…第1の導電層、50…第2の導電層、110…基板、120…キャップ膜、130…絶縁膜、131,132…凹部(溝)、133…バリアメタル、135…シード膜、136…第1の埋め込み膜、137…第2の埋め込み膜、140…第1の導電層、150…第2の導電層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a buried (damascene) structure.
[0002]
[Prior art]
Along with the high integration of LSIs, the miniaturization of internal wiring has progressed, and the demand for lower resistance and improved reliability of the fine wiring has increased. Therefore, copper having a low resistance value is used instead of aluminum or aluminum alloy which has been widely used as a wiring material.
[0003]
Furthermore, in order to improve the reliability of copper wiring, it has been studied to form wiring by adding silver, aluminum or the like into copper. By including the additive, the atomic flow can be suppressed, thereby improving the electromigration resistance. In addition, it is possible to suppress defects due to stress migration occurring in wide wiring.
[0004]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view schematically showing a part of a conventional semiconductor device. A lower copper
A first
[0005]
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view that sequentially schematically shows one example of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
First, as shown in FIG. 8A, a lower copper
Next, a
[0006]
Next, as shown in FIG. 8B, a copper buried
Next, as shown in FIG. 8C, the buried
[0007]
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view that sequentially schematically shows another example of the manufacturing method for the conventional semiconductor device.
First, as shown in FIG. 9A, the
[0008]
Next, as shown in FIG. 9B, a second buried
Next, as shown in FIG. 9C, heat treatment is performed to uniformly diffuse the additive contained in the second buried
Thereafter, the buried
[0009]
As described above, as a conventional method for manufacturing a semiconductor device, copper is flown and embedded in a recess formed in an interlayer insulating film, and then an impurity material is deposited on the copper, and heat treatment is performed to remove the impurity material from the copper. A method of forming a copper alloy wiring by diffusing inside is known (for example, see Patent Document 1).
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-11-102909 (Page 2-6, Fig. 1-4)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method as described above, the resistance value of the finer second
For example, in the former method as shown in FIG. 8, the proportion of the seed layer in the finer second
[0012]
The present invention has been made in view of such circumstances, and the purpose thereof is to suppress an increase in the resistance of the other conductive layer, which is finer than one conductive layer, while simultaneously forming a plurality of conductive layers, An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of improving the reliability of one conductive layer.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an insulating film on a substrate, a step of forming a plurality of recesses in the insulating film to form a conductive layer, Forming a first conductive layer and a second conductive layer so as to fill the recess formed in the insulating film, and the second conductive layer is finer than the first conductive layer. The concave portion is formed so as to be a conductive layer, and the concentration of the additive contained in the first conductive layer and having a migration suppressing function is higher than the concentration of the additive in the second conductive layer. Form.
[0014]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, an insulating film is formed on the upper surface of the substrate, a plurality of recesses that form conductive layers are formed in the insulating film, and the recesses formed in the insulating film are embedded. A first conductive layer and a second conductive layer are formed. Here, as compared with the first conductive layer, the concave portion is formed so that the second conductive layer becomes a finer conductive layer, and the concentration of the additive contained in the first conductive layer and having a function of suppressing migration Is formed higher than the concentration of the additive in the second conductive layer.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view schematically showing the semiconductor device according to the present embodiment. A lower copper
[0016]
2 to 4 are schematic cross-sectional views sequentially showing main steps of the semiconductor device manufacturing method according to this embodiment.
In this embodiment, a conductive material containing copper is used as the conductive layer. In general, it is considered difficult to etch copper by reactive ion etching (RIE). Therefore, a conductive layer is formed by a damascene method in which a conductive film is embedded in the
[0017]
First, as shown in FIG. 2A, a lower copper
[0018]
Next, as shown in FIG. 2B, a plurality of
[0019]
Next, as shown in FIG. 2C, a
[0020]
Next, as shown in FIG. 3D, a
[0021]
Next, as shown in FIG. 3E, for example, copper is embedded as the first embedded
The first buried
[0022]
The difference in the film thickness of the buried film according to the line width of the
[0023]
Next, as shown in FIG. 3F, for example, a second buried
The second buried
[0024]
Next, as shown in FIG. 4G, the first and second buried
Next, as shown in FIG. 4 (h), heating is performed under the condition that the additive is sufficiently diffused in the buried film formed in the
Thereby, the first
[0025]
In the present embodiment, the first embedded
[0026]
According to the present embodiment, when the plurality of conductive layers are simultaneously formed, the second embedded film remains only in the formation region of the first conductive layer after polishing. Therefore, the first conductive layer is formed by the subsequent heat treatment. Additives are contained only in the layer. Therefore, it can be selectively formed so that the additive concentration of the wider conductive layer is higher than the additive concentration contained in the finer conductive layer.
Therefore, the electromigration resistance and stress migration resistance of a wider conductive layer can be improved without impairing the resistance value of the fine conductive layer. As a result, the degree of freedom in circuit design, which has become more restrictive as miniaturization progresses, can be expanded, and a high-performance semiconductor device can be realized. Accordingly, the performance of computers, game machines and mobile devices can be significantly improved.
[0027]
[Modification 1]
Next, a modification of the present embodiment will be described with reference to the drawings. Here, the same parts as those in the above embodiment have the same numbers, the description thereof will be omitted, and only different parts will be described below.
In this modification, another method for manufacturing the semiconductor device according to the above embodiment will be described.
2, 3 and 5 are schematic cross-sectional views sequentially showing main steps of the method of manufacturing a semiconductor device according to this modification.
First, as in the above embodiment, a semiconductor device is formed with reference to FIGS. 2 (a) to 3 (f).
As shown in FIG. 2A, the
Next, as shown in FIG. 2B, a plurality of
Next, as shown in FIG. 2C, the
[0028]
Next, as shown in FIG. 3D, a
Next, as shown in FIG. 3E, copper is embedded as the first embedded
Next, as shown in FIG. 3F, for example, a second buried
[0029]
Next, as shown in FIG. 5 (i), heating is performed in an inert gas atmosphere under conditions such that the additive diffuses into the first buried
[0030]
As heating conditions, for example, an oxygen concentration of 30 ppm or less, 200 ° C., and 15 minutes is performed in an argon atmosphere, using a hot plate, a vertical furnace, or the like. Heating can also be performed under an inert gas atmosphere other than argon, in a vacuum, a nitrogen atmosphere, or a diluted hydrogen atmosphere. As a result, for example, as shown in the figure, the
The diffusion amount of the additive in the first buried
[0031]
Next, as shown in FIG. 5J, the first and second buried
Thereby, the first
[0032]
In the present modification, the first buried
[0033]
According to this modification, when a plurality of conductive layers are formed at the same time, they are contained in the fine second conductive layer by using the steps of the formed buried film and changing the diffusion conditions and film thickness. The first conductive layer having a wider width than the additive concentration can be selectively formed so as to have a higher additive concentration.
Therefore, it is possible to improve the electromigration resistance and stress migration resistance of a wider conductive layer without impairing the resistance value of the fine wiring. As a result, the degree of freedom in circuit design, which has become more restrictive as miniaturization progresses, can be expanded, and a high-performance semiconductor device can be realized.
[0034]
[Modification 2]
A modification of this embodiment will be described with reference to the drawings. Here, the same parts as those in the above embodiment have the same numbers, the description thereof will be omitted, and only different parts will be described below.
This modification is a method for manufacturing a semiconductor device in which an opening is formed at the bottom of the groove in the semiconductor device of the above-described embodiment and modification.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view schematically showing a semiconductor device according to this modification. A
[0035]
The
[0036]
In this modification, the
[0037]
According to this modification, the additive concentration contained in a finer conductive layer when forming a plurality of conductive layers simultaneously, as in the above-described embodiment and modification in a semiconductor device having a multilayer wiring structure The additive concentration of the wider conductive layer can be formed to be higher than that.
[0038]
The present invention is not limited to the above embodiment.
For example, in this embodiment, it can change from silver to aluminum as an additive which suppresses migration.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when a plurality of conductive layers are formed simultaneously in a method for manufacturing a semiconductor device, an increase in resistance of the other conductive layer, which is finer than one conductive layer, is suppressed. The reliability of one of the conductive layers can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view schematically showing a part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention and
2A is a schematic cross-sectional view schematically showing main steps of a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention and
FIG. 3D is a schematic cross-sectional view schematically showing in sequence the main steps of the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention and
FIG. 4 (g) is a schematic cross-sectional view sequentially showing main steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a schematic sectional drawing which shows typically the main process of the manufacturing method of the semiconductor device concerning a form one after another.
FIG. 5 (i) is a schematic cross-sectional view schematically showing in sequence the main steps of the method for manufacturing a semiconductor device according to the first modification of the present invention, and FIG. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view schematically sequentially illustrating main steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view schematically showing a part of a semiconductor device according to Modification 2;
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view schematically showing a part of a conventional semiconductor device.
FIG. 8A is a schematic cross-sectional view sequentially showing main steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to a conventional technique, and FIG. 8B is a semiconductor according to the conventional technique. FIG. 8C is a schematic cross-sectional view schematically showing the main steps of the device manufacturing method in order, and FIG. 8C is a schematic diagram showing the main steps of an example of a conventional method for manufacturing a semiconductor device in order. It is sectional drawing.
FIG. 9A is a schematic cross-sectional view sequentially illustrating main steps of a conventional method for manufacturing a semiconductor device, and FIG. 9B is a semiconductor according to the related art. FIG. 9C is a schematic cross-sectional view schematically showing the main steps of the device manufacturing method in order, and FIG. 9C is a schematic cross-sectional view showing the main steps of the conventional method for manufacturing a semiconductor device in sequence. It is.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記絶縁膜に導電層の形成領域となる複数の凹部を形成する工程と、
前記絶縁膜に形成された前記凹部を埋め込むように第1の導電層および第2の導電層を形成する工程と
を有し、
前記第1の導電層に比べ、前記第2の導電層がより微細になるように前記凹部を形成し、
前記第1の導電層に含有され、マイグレーションの抑制機能を有する添加物の濃度を、前記第2の導電層の前記添加物の濃度よりも高く形成する
半導体装置の製造方法。Forming an insulating film on the substrate;
Forming a plurality of recesses to be conductive layer forming regions in the insulating film;
Forming a first conductive layer and a second conductive layer so as to embed the recess formed in the insulating film,
Forming the recess so that the second conductive layer is finer than the first conductive layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a concentration of an additive contained in the first conductive layer and having a migration suppressing function is formed to be higher than a concentration of the additive in the second conductive layer.
前記凹部を埋め込むように第1の埋め込み膜を形成する工程と、
前記第1の埋め込み膜の上面に前記添加物を含有する第2の埋め込み膜を形成する工程と、
前記第1の埋め込み膜および前記第2の埋め込み膜を上方から前記絶縁膜が露出するまで除去する工程と、
前記第2の埋め込み膜に含有される前記添加物が前記第1の埋め込み膜に拡散するように加熱する工程と
を含み、
前記第1の埋め込み膜を形成する工程において、前記第1の導電層の形成領域の前記凹部に形成された前記第1の埋め込み膜の表面の少なくとも一部を、前記絶縁膜の上面よりも低く形成し、
前記第1および前記第2の埋め込み層を除去する工程において、前記第1の導電層の形成領域には前記第1の埋め込み膜および前記第2の埋め込み膜が残され、前記第2の導電層の形成領域には前記第1の埋め込み膜が残るように除去する
請求項1記載の半導体装置の製造方法。The step of forming the first conductive layer and the second conductive layer includes:
Forming a first embedded film so as to embed the recess;
Forming a second buried film containing the additive on the upper surface of the first buried film;
Removing the first buried film and the second buried film from above until the insulating film is exposed;
Heating so that the additive contained in the second buried film diffuses into the first buried film,
In the step of forming the first buried film, at least a part of the surface of the first buried film formed in the recess in the formation region of the first conductive layer is lower than the upper surface of the insulating film. Forming,
In the step of removing the first and second buried layers, the first buried film and the second buried film are left in a formation region of the first conductive layer, and the second conductive layer The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first buried film is removed so as to remain in the formation region.
前記凹部を埋め込むように第1の埋め込み膜を形成する工程と、
前記第1の埋め込み膜の上面に前記添加物を含む第2の埋め込み膜を形成する工程と、
前記第2の埋め込み膜に含有される前記添加物が前記第1の埋め込み膜に拡散されるように加熱する工程と、
前記第1の埋め込み膜および前記第2の埋め込み膜を上方から前記絶縁膜が露出するまで除去する工程と
を含み、
前記加熱工程において、前記添加物が、前記第1の導電層の形成領域の前記第1の埋め込み膜には拡散し、前記第2の導電層の形成領域には拡散しない条件で加熱する
請求項1記載の半導体装置の製造方法。The step of forming the first conductive layer and the second conductive layer includes:
Forming a first embedded film so as to embed the recess;
Forming a second buried film containing the additive on the upper surface of the first buried film;
Heating so that the additive contained in the second buried film is diffused into the first buried film;
Removing the first buried film and the second buried film from above until the insulating film is exposed,
2. The heating is performed in the heating step under a condition that the additive diffuses into the first buried film in the formation region of the first conductive layer and does not diffuse into the formation region of the second conductive layer. 2. A method of manufacturing a semiconductor device according to 1.
請求項1記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the recess includes an opening formed at a bottom of the recess.
請求項2記載の半導体装置の製造方法。3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the additive is a conductive substance that easily diffuses into the first buried film by the heating step.
請求項3記載の半導体装置の製造方法。4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the additive is a conductive substance that easily diffuses into the first buried film by the heating step.
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