JP2005217371A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、より詳しくは、層間絶縁膜として多孔質の低誘電率絶縁膜を用いた半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device using a porous low dielectric constant insulating film as an interlayer insulating film and a manufacturing method thereof.
近年の半導体装置の微細化・高速化に伴い、配線構造の多層化が進んでいる。しかし、このような微細化、高速化および多層化が進むにつれて、配線抵抗並びに配線間および配線層間の寄生容量の増大による信号遅延が問題となる。信号遅延Tは配線抵抗Rと寄生容量Cの積に比例することから、信号遅延Tを小さくするためには、配線層の低抵抗化とともに寄生容量を小さくすることが必要となる。 With the recent miniaturization and speeding up of semiconductor devices, multilayer wiring structures are progressing. However, as such miniaturization, higher speed, and multilayering progress, signal delay due to increase in wiring resistance and parasitic capacitance between wirings and between wiring layers becomes a problem. Since the signal delay T is proportional to the product of the wiring resistance R and the parasitic capacitance C, in order to reduce the signal delay T, it is necessary to reduce the parasitic capacitance as well as the resistance of the wiring layer.
配線抵抗Rを低減するには、配線材料としてより低抵抗のものを用いればよい。具体的には、従来のアルミニウム(Al)配線から銅(Cu)配線へ移行することなどが挙げられる。 In order to reduce the wiring resistance R, a wiring material having a lower resistance may be used. Specifically, a transition from a conventional aluminum (Al) wiring to a copper (Cu) wiring is exemplified.
一方、配線層間の寄生容量Cと、配線層の間に設けられる層間絶縁膜の比誘電率ε、配線層の間隔dおよび配線層の側面積Sとの間には、C=(ε・S)/dの関係がある。したがって、寄生容量Cを低減するには、低誘電率の絶縁膜(以下、Low−k膜という。)を層間絶縁膜として用いることが必要となる。 On the other hand, between the parasitic capacitance C between the wiring layers and the relative dielectric constant ε of the interlayer insulating film provided between the wiring layers, the distance d between the wiring layers, and the side area S of the wiring layer, C = (ε · S ) / D. Therefore, in order to reduce the parasitic capacitance C, it is necessary to use a low dielectric constant insulating film (hereinafter referred to as a low-k film) as an interlayer insulating film.
従来より知られているLow−k膜としては、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって成膜したSiOF膜が挙げられる。SiOF膜の比誘電率は3.3程度であり、比誘電率が3.9程度であるSiO2膜に比較すると低い誘電率を得ることができる。しかしながら、さらなる比誘電率の低減を図る場合、SiOF膜では膜の安定性に欠けるため実用化は極めて困難である。 A conventionally known Low-k film includes a SiOF film formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The relative dielectric constant of the SiOF film is about 3.3, and a lower dielectric constant can be obtained as compared with the SiO 2 film having a relative dielectric constant of about 3.9. However, when further reducing the relative dielectric constant, the SiOF film is extremely difficult to put into practical use because the film lacks stability.
また、SOG(Spin on Glass)膜や有機ポリマー膜などをLow−k膜として用いることも検討されている。これらの膜は、多孔質化することによって、比誘電率を2.0程度まで下げることが可能とされている。 In addition, the use of a SOG (Spin on Glass) film, an organic polymer film, or the like as the low-k film is also under study. By making these films porous, it is possible to lower the relative dielectric constant to about 2.0.
このようなLow−k膜を用いた銅配線の形成方法としては、ダマシン法によるものがある。これは、銅がアルミニウムに比較してエッチングレートの制御が困難であることに鑑み、銅をエッチングせずに配線を形成する技術として知られている。 As a method for forming a copper wiring using such a low-k film, there is a damascene method. This is known as a technique for forming a wiring without etching copper, considering that it is difficult to control the etching rate of copper compared to aluminum.
ダマシン法は、具体的には、Low−k膜のドライエッチングにより下層配線に至る開口部を形成した後、この開口部にバリアメタル膜を介して銅層を埋込むことによって銅配線層を形成する技術である。銅層の埋込みは、メッキ法により開口部を埋設するように銅層を形成した後、CMP(Chemichal Mechanical Polishing,化学的機械研磨)法により開口部内にのみ銅層を残すように表面を研磨することによって実現することができる。 Specifically, in the damascene method, an opening reaching the lower layer wiring is formed by dry etching of a low-k film, and then a copper wiring layer is formed by embedding a copper layer through a barrier metal film in the opening. Technology. The copper layer is embedded by forming a copper layer so as to embed the opening by plating, and then polishing the surface by CMP (Chemical Mechanical Polishing) so that the copper layer remains only in the opening. Can be realized.
多孔質化されたLow−k膜においては、内部の空孔率が大きいほど比誘電率を低下させることができる。しかしながら、空孔率が大きくなると膜密度が小さくなり、空孔が開口部の側壁に露出する。このため、空孔内にバリアメタル膜材料が拡散して部分的にバリア性が低下する結果、銅がLow−k膜中へ拡散するようになるという問題があった。この様子を図11に示す。 In a low-k film made porous, the relative permittivity can be lowered as the internal porosity increases. However, when the porosity increases, the film density decreases and the holes are exposed on the side wall of the opening. For this reason, as a result of the barrier metal film material diffusing into the vacancies and partially reducing the barrier properties, there is a problem that copper diffuses into the low-k film. This is shown in FIG.
図11は従来の半導体装置の断面図であり、CMP法による平坦化前の状態を示している。図において、バリアメタル膜21および銅層22を有する下層配線23上には、拡散防止膜24および多孔質のLow−k膜25が形成されている。また、拡散防止膜24およびLow−k膜25にはビアホール26および配線溝27が設けられていて、これらの内部には、バリアメタル膜28およびシード銅膜29を介して銅層30が埋め込まれている。図に示すように、Low−k膜25にはバリアメタルが拡散した領域31があり、さらに領域31には部分的に銅が拡散した領域32が形成されている。このような銅の拡散は、半導体装置の製造工程中や動作時に発生する。そして、拡散した銅は、配線間におけるリーク電流のパス33を形成するので、製造歩留まりの低下や半導体装置の動作不良を引き起こす。
FIG. 11 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device, showing a state before planarization by the CMP method. In the figure, a
この問題に対しては、Low−k膜の表面およびビアホールに対してプラズマ熱処理を施すことにより空孔を収縮させて、バリアメタルの拡散を防ぐ方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In order to solve this problem, a method has been proposed in which diffusion of barrier metal is prevented by shrinking vacancies by performing plasma heat treatment on the surface of the low-k film and via holes (see, for example, Patent Document 1). .)
上記の方法においては、空孔収縮による比誘電率の上昇を防ぐことが必要となる。このため、Low−k膜の表面にのみ極薄い改質層が形成されるようにプラズマエネルギーを制御しなければならない。しかしながら、こうした制御は技術的に極めて困難であり、比誘電率の上昇を回避できないという問題があった。 In the above method, it is necessary to prevent an increase in the dielectric constant due to vacancy shrinkage. For this reason, it is necessary to control the plasma energy so that an extremely thin modified layer is formed only on the surface of the low-k film. However, such control is technically extremely difficult, and there is a problem that an increase in the dielectric constant cannot be avoided.
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、簡便な方法によって空孔内へのバリアメタル材料および銅の拡散を防止して、電気的特性に優れた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems. That is, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having excellent electrical characteristics by preventing diffusion of a barrier metal material and copper into pores by a simple method and a method for manufacturing the same.
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
本発明は、下層配線上に設けられた拡散防止膜と、この拡散防止膜上に設けられた比誘電率が3.0未満である多孔質の層間絶縁膜と、拡散防止膜および層間絶縁膜に設けられた開口部にバリアメタル膜を介して埋め込まれる銅配線とを有する半導体装置であって、層間絶縁膜とバリアメタル膜との間に炭素およびフッ素を含む中間膜が形成されていることを特徴とするものである。 The present invention relates to a diffusion preventing film provided on a lower wiring, a porous interlayer insulating film having a relative dielectric constant of less than 3.0 provided on the diffusion preventing film, a diffusion preventing film, and an interlayer insulating film. A semiconductor device having a copper wiring embedded in an opening provided in a via a barrier metal film, wherein an intermediate film containing carbon and fluorine is formed between the interlayer insulating film and the barrier metal film It is characterized by.
本発明の半導体装置において、拡散防止膜は炭素を含む材料からなるものとすることができる。 In the semiconductor device of the present invention, the diffusion barrier film can be made of a material containing carbon.
本発明の半導体装置において、層間絶縁膜の上には、さらに炭素を含む材料からなるキャップ膜が設けられることができる。 In the semiconductor device of the present invention, a cap film made of a material containing carbon can be further provided on the interlayer insulating film.
本発明の半導体装置において、中間膜は絶縁膜とすることができ、この絶縁膜の膜厚は1nm〜15nmの範囲内とすることができる。 In the semiconductor device of the present invention, the intermediate film can be an insulating film, and the thickness of the insulating film can be in the range of 1 nm to 15 nm.
本発明の半導体装置の製造方法において、層間絶縁膜は、シロキサン系の無機材料および有機高分子系の有機材料のいずれか一方とすることができる。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the interlayer insulating film can be one of a siloxane inorganic material and an organic polymer organic material.
本発明は、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法において、下層配線が形成された半導体基板の上方に、比誘電率が3.0未満である多孔質の層間絶縁膜を形成する工程と、この層間絶縁膜に対し、所定のパターンに加工されたレジスト膜をマスクとし且つフルオロカーボン系のガスを用いてドライエッチングを行い、下層配線に至る開口部を形成するとともに、層間絶縁膜の側壁部に炭素およびフッ素の反応生成膜を形成する工程と、この反応生成膜を完全には除去しない条件でレジスト膜を除去する工程と、開口部の内面にバリアメタル膜を形成する工程と、このバリアメタル膜を介して開口部を埋め込むように銅層を形成する工程とを有することを特徴とするものである。 The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure, the step of forming a porous interlayer insulating film having a relative dielectric constant of less than 3.0 above a semiconductor substrate on which a lower layer wiring is formed; The interlayer insulating film is subjected to dry etching using a resist film processed into a predetermined pattern as a mask and using a fluorocarbon-based gas to form an opening reaching the lower layer wiring, and on the side wall of the interlayer insulating film. A step of forming a reaction product film of carbon and fluorine, a step of removing the resist film under conditions that do not completely remove the reaction product film, a step of forming a barrier metal film on the inner surface of the opening, and the barrier metal And a step of forming a copper layer so as to embed the opening through the film.
本発明の半導体装置の製造方法において、開口部は、ビアホールおよび配線溝の一方とすることができる。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the opening can be one of a via hole and a wiring trench.
本発明の半導体装置の製造方法において、レジスト膜を除去する工程は、還元性雰囲気下でのアッシング工程とすることができる。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the step of removing the resist film can be an ashing step in a reducing atmosphere.
また、本発明の半導体装置の製造方法において、レジスト膜を除去する工程は、還元性雰囲気下でのアッシング工程とこのアッシング工程に続く洗浄工程とすることもできる。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the step of removing the resist film may be an ashing step in a reducing atmosphere and a cleaning step following the ashing step.
本発明の半導体装置の製造方法において、レジスト膜除去後の反応生成膜の膜厚は1nm〜15nmの範囲内とすることができる。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the thickness of the reaction product film after removing the resist film can be in the range of 1 nm to 15 nm.
本発明は、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法において、下層配線上に拡散防止膜を形成する工程と、この拡散防止膜の上に、比誘電率が3.0未満である多孔質の層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜および拡散防止層に対し、所定のパターンに加工された第1のレジスト膜をマスクとし且つフルオロカーボン系のガスを用いてドライエッチングを行い、下層配線に至るビアホールを形成する工程と、第1のレジスト膜を除去する工程と、所定のパターンに加工された第2のレジスト膜をマスクとし且つフルオロカーボン系のガスを用いて層間絶縁膜をドライエッチングし、ビアホールに接続する配線溝を形成する工程と、第2のレジスト膜を除去する工程と、ビアホールおよび配線溝の内面にバリアメタル膜を形成する工程と、このバリアメタル膜を介してビアホールおよび配線溝を埋め込むように銅層を形成する工程とを有し、ビアホールを形成する工程および配線溝を形成する工程は、層間絶縁膜の側壁部に炭素およびフッ素の反応生成膜を形成する工程でもあり、第1のレジスト膜を除去する工程および第2のレジスト膜を除去する工程は、反応生成膜を完全には除去しない条件で行われることを特徴とするものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure, a step of forming a diffusion prevention film on a lower layer wiring, and a porous material having a relative dielectric constant of less than 3.0 on the diffusion prevention film. The interlayer insulating film is formed, and the interlayer insulating film and the diffusion prevention layer are dry-etched using the first resist film processed into a predetermined pattern as a mask and using a fluorocarbon-based gas to form a lower layer wiring. A step of forming a via hole, a step of removing the first resist film, a second resist film processed into a predetermined pattern as a mask and dry etching the interlayer insulating film using a fluorocarbon-based gas, A step of forming a wiring trench connected to the via hole, a step of removing the second resist film, and a step of forming a barrier metal film on the inner surface of the via hole and the wiring trench Forming a copper layer so as to fill the via hole and the wiring groove through the barrier metal film, and the step of forming the via hole and the step of forming the wiring groove include carbon and carbon on the side wall portion of the interlayer insulating film. It is also a step of forming a fluorine reaction product film, and the step of removing the first resist film and the step of removing the second resist film are performed under conditions that do not completely remove the reaction product film. To do.
本発明の半導体装置の製造方法において、第1のレジスト膜および第2のレジスト膜除去後の反応生成膜の膜厚は1nm〜15nmの範囲内とすることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the thickness of the reaction product film after the removal of the first resist film and the second resist film is preferably in the range of 1 nm to 15 nm.
本発明の半導体装置の製造方法において、フルオロカーボン系のガスは、CHF3ガス、CH2F2ガス、C5F8ガス、CF4ガスおよびC4F8ガスよりなる群から選ばれる少なくとも1のガスとすることができる。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the fluorocarbon-based gas is at least one selected from the group consisting of CHF 3 gas, CH 2 F 2 gas, C 5 F 8 gas, CF 4 gas, and C 4 F 8 gas. It can be gas.
本発明によれば、層間絶縁膜とバリアメタル膜との間に炭素およびフッ素を含む中間膜が形成されているので、バリアメタルおよび銅の空孔内への拡散を簡便に防いで、電気的特性に優れた半導体装置とすることができる。 According to the present invention, since the intermediate film containing carbon and fluorine is formed between the interlayer insulating film and the barrier metal film, the diffusion of the barrier metal and copper into the vacancies can be easily prevented, and the electrical A semiconductor device having excellent characteristics can be obtained.
また、本発明によれば、下層配線に至る開口部を形成する際に層間絶縁膜の側壁部に炭素およびフッ素の反応生成膜を形成し、この反応生成膜を完全には除去しない条件でレジスト膜を除去するので、層間絶縁膜の表面に露出した空孔を反応生成膜で被覆することができる。これにより、簡便にバリアメタルおよび銅の空孔内への拡散を防止できるので、電気的特性に優れた半導体装置を製造することが可能となる。 Further, according to the present invention, when forming an opening leading to the lower layer wiring, a reaction product film of carbon and fluorine is formed on the side wall of the interlayer insulating film, and the resist is formed under a condition that the reaction product film is not completely removed. Since the film is removed, the voids exposed on the surface of the interlayer insulating film can be covered with the reaction product film. As a result, diffusion of the barrier metal and copper into the pores can be easily prevented, and a semiconductor device having excellent electrical characteristics can be manufactured.
さらに、本発明によれば、ビアホールの形成および配線溝の形成とともに、層間絶縁膜の側壁部に炭素およびフッ素の反応生成膜を形成し、この反応生成膜を完全には除去しない条件で第1のレジスト膜および第2のレジスト膜を除去するので、層間絶縁膜の表面に露出した空孔を反応生成膜で被覆することができる。これにより、簡便にバリアメタルおよび銅の空孔内への拡散を防止できるので、電気的特性に優れた半導体装置を製造することが可能となる。 Furthermore, according to the present invention, a reaction product film of carbon and fluorine is formed on the side wall portion of the interlayer insulating film together with the formation of the via hole and the wiring trench, and the first reaction is performed under the condition that the reaction product film is not completely removed. Since the resist film and the second resist film are removed, the voids exposed on the surface of the interlayer insulating film can be covered with the reaction product film. As a result, diffusion of the barrier metal and copper into the pores can be easily prevented, and a semiconductor device having excellent electrical characteristics can be manufactured.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1〜図10は、本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。 1 to 10 are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment. In these drawings, the same reference numerals indicate the same parts.
まず、下層配線としての銅配線層1が形成された半導体基板2の上に、拡散防止膜3および層間絶縁膜4をこの順に形成する(図1)。ここで、銅配線層1は、バリアメタル膜5および銅層6を有している。尚、本実施の形態においては、銅配線層以外の他の導電層が形成されていてもよい。例えば、銅以外の他の金属の配線層または不純物ドーピング領域などが半導体基板に形成されていてもよい。
First, a
半導体基板2としては、例えばシリコン基板などを用いることができる。
As the
拡散防止膜3としては、例えば、SiN(窒化シリコン)膜、SiC(炭化シリコン)膜またはSiCN(炭窒化シリコン)膜などを用いることができるが、本発明においては、SiC膜またはSiCN膜などの炭素(C)を含む材料からなる膜を用いることが好ましい。尚、拡散防止膜3として層間絶縁膜4とのエッチング選択比の大きい材料を用いた場合には、拡散防止膜3はエッチングストッパー膜としても機能する。
As the
層間絶縁膜4としては、比誘電率が3.0未満である多孔質化された低誘電率絶縁膜(以下、Low−k膜という。)を用いる。ここで、絶縁膜を多孔質化する方法は、(1)適当な空孔形成材を添加した絶縁膜組成物を支持体上に塗布した後、熱処理またはプラズマ処理によって空孔形成材を除去し、膜内部に空孔を導入する方法、および、(2)空孔形成材を含まない絶縁膜組成物を支持体上に塗布し、熱処理による重合反応の過程で自己形成的に空孔を形成する方法のいずれであってもよい。
As the
層間絶縁膜4に適用されるLow−k膜としては、シロキサン系の無機材料または有機高分子系の有機材料などを挙げることができる。例えば、酸化シリコン中にメチル基を導入した酸炭化シリコン(Carbon Doped Silicon Oxide,SiOC)、ポリアリルエーテル誘導体、フッ素化アリレン、PSG(リン含有ケイ酸塩ガラス)、BPSG(ホウ素リン含有ケイ酸塩ガラス)、USG(アンドープケイ酸塩ガラス)、FSG(フッ素ドープケイ酸塩ガラス)、PE−TEOS(Plasma Enhanced−tetra Ethyl Ortho Silicate)またはダウ・ケミカル社製の非フッ素系有機ポリマーであるSiLK(登録商標)などを用いることができる。さらに、HSQ(水素シルセスキオキサン)またはMSQ(メチルシルセスキオキサン)などのSOG(Spin on Glass)膜を用いてもよい。これらの膜は、CVD法またはSOD(Spin on Dielectric Coating)法などによって成膜することができる。
Examples of the low-k film applied to the
尚、本実施の形態においては、層間絶縁膜4の上にキャップ膜(図示せず)を形成してもよい。キャップ膜としては、例えば、SiO2(二酸化シリコン)膜、SiC(炭化シリコン)膜またはSiN(窒化シリコン)膜などを用いることができるが、本発明においては、SiC膜などの炭素(C)を含む材料からなる膜を用いることが好ましい。これらの膜は、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって形成することができる。
In the present embodiment, a cap film (not shown) may be formed on the
層間絶縁膜4を形成した後は、所定のパターンを有する第1のレジスト膜7を形成する(図2)。具体的には、層間絶縁膜4の全面にフォトレジスト(図示せず)を塗布し、所定のパターンを有するマスクを介して露光光を照射した後に現像する。これにより、フォトレジストをパターニングして、第1のレジスト膜7を形成することができる。
After the
露光光の種類は、半導体装置のデザイン・ルールに応じて適宜選択することができる。例えば、0.25μm〜0.13μmのデザイン・ルールではKrF(フッ化クリプトン)エキシマレーザ(波長:248nm)が、90nmのデザイン・ルールではArF(フッ化アルゴン)エキシマレーザ(波長:193nm)が、65nm以下のデザイン・ルールではF2レーザ(波長:157nm)が、それぞれ露光装置の光源として用いられる。 The type of exposure light can be appropriately selected according to the design rules of the semiconductor device. For example, KrF (krypton fluoride) excimer laser (wavelength: 248 nm) is used in the design rule of 0.25 μm to 0.13 μm, and ArF (argon fluoride) excimer laser (wavelength: 193 nm) is used in the design rule of 90 nm. In the design rule of 65 nm or less, an F 2 laser (wavelength: 157 nm) is used as the light source of the exposure apparatus.
尚、本実施の形態においては、層間絶縁膜4の上に反射防止膜(図示せず)を設けてから、第1のレジスト膜7を形成してもよい。反射防止膜は、フォトレジストをパターニングする際に、フォトレジストを透過した露光光を吸収することによって、フォトレジストと反射防止膜との界面における露光光の反射をなくす役割を果たす。反射防止膜としては有機物を主成分とする膜を用いることができ、例えば、スピンコート法などによって形成することができる。
In the present embodiment, the first resist
次に、第1のレジスト膜7をマスクとし、層間絶縁膜4および拡散防止膜3に対して第1のドライエッチングを行う。第1のドライエッチングには、フッ素および炭素を含むガスを用いる。例えば、CHF3(トリフルオロメタン)、CH2F2(ジフルオロメタン)、C5F8(オクタフルオロシクロペンテン)、CF4(テトラフルオロメタン)、C4F8(オクタフルオロシクロブタン)、C5F8(オクタフルオロシクロペンテン)、C2F6(ヘキサフルオロエタン)、C4F6(ヘキサフルオロブタジエン)またはC6F6(ヘキサフルオロベンゼン)などのフルオロカーボン系のガスを用いることができる。但し、拡散防止膜およびキャップ膜の少なくとも一方に炭素を含む材料からなる膜を用いた場合には、第1のドライエッチングに使用するガスはフッ素を含むものであればよく、必ずしも炭素を含んでいる必要はない。
Next, first dry etching is performed on the
第1のドライエッチングが進行するにしたがって、第1の開口部8が形成されるとともに、第1の開口部8から露出した層間絶縁膜4には炭素およびフッ素の反応生成膜9が形成される(図3)。反応性成膜9は、エッチングガス中のフッ素と炭素との反応生成物からなる膜である。
As the first dry etching proceeds, a
尚、拡散防止膜またはキャップ膜のいずれか一方に炭素を含む材料からなる膜を用いた場合には、反応生成膜9は、エッチングガス中のフッ素とこれらの膜中の炭素との反応生成物であってもよい。さらに、層間絶縁膜4が炭素を含む膜からなる場合には、反応生成膜9は、層間絶縁膜4中の炭素とエッチングガス中のフッ素との反応生成物であってもよい。例えば、MSQ系塗布膜材料であるLKD(商品名,JSR株式会社製)膜をLow−k膜として用いた場合には、LKD膜の母材であるSi−O−C骨格とエッチングガス中のフッ素とが反応することによって、LKD膜の側壁部には炭素およびフッ素を含む反応生成膜が形成される。この場合、第1のドライエッチングの条件を変えることによって、反応生成膜の組成は、炭素およびフッ素以外にシリコンや酸素などを含む場合もある。
When a film made of a material containing carbon is used for either the diffusion prevention film or the cap film, the
第1のドライエッチング終了後には、図4に示すように、銅配線層1に至る開口部としてのビアホール10が形成される。ここで、ビアホール10から露出している層間絶縁膜4は反応生成膜9で被覆されている。
After the completion of the first dry etching, a via
次に、不要となった第1のレジスト膜7を除去する。ここで、レジスト膜の除去は、一般に、アッシングとこれに続く洗浄処理によって行われる。この際、第1のレジスト膜7とともに反応生成膜9も除去されてしまうが、アッシングや洗浄処理の条件を弱めたり、または、洗浄処理を省略したりすることによって、反応生成膜9を薄膜として残すことが可能である。そして、本発明は、反応生成膜9を残すことによって、層間絶縁膜4の表面に露出した空孔(図示せず)を反応生成膜9で被覆することを特徴としている(図5)。すなわち、一般に、空孔の直径は1nm〜10nm程度である。これに対して、反応生成膜9は2nm以上の分子半径を有していることが判明している。したがって、本発明によれば、露出した空孔を反応生成膜9によって完全に埋め込む(または、覆い隠す)ことが可能である。
Next, the unnecessary first resist
ここで、反応生成膜9は、上述したように、炭素およびフッ素を含む膜である。このような膜は比誘電率が低いので、層間絶縁膜4の側壁部に付着しても全体の比誘電率を大きく上昇させることにはならない。そして、反応生成膜9が、層間絶縁膜4と(後に形成する)バリアメタル膜との間に炭素およびフッ素を含む中間膜として設けられ、引いては反応生成膜9を構成する分子によって層間絶縁膜4の表面に露出している空孔が埋め込まれることによって、バリアメタルが空孔に拡散していくのを防ぐことができる。したがって、本発明によれば、電気的特性に優れた半導体装置を簡便に提供することができる。
Here, the
アッシングは、層間絶縁膜4へのダメージを低減するため、および、反応生成膜9を残すために還元性雰囲気下で行うことが好ましい。具体的には、H2(水素)ガス、または、N2(窒素)、He(ヘリウム)、Ne(ネオン)およびAr(アルゴン)などの不活性ガスを1種若しくは2種以上用いて行うことができる。また、H2ガスと、1種または2種以上の不活性ガスとを混合したガスを用いて行ってもよい。
Ashing is preferably performed in a reducing atmosphere in order to reduce damage to the
アッシングや洗浄処理の条件を弱くするほど、残存する反応生成膜9の膜厚は大きくなり、空孔を効果的に被覆することができるようになる。しかしながら、その一方で、第1のレジスト膜7も残存しやすくなる。本発明においては、反応生成膜9の膜厚は1nm〜15nmの範囲内であることが好ましい。反応生成膜9の膜厚が1nmより薄くなると、空孔の被覆性は不十分なものとなる。一方、反応生成膜9の膜厚が15nmより厚くなると、第1のレジスト膜7が残存しやすくなる。
The weaker the conditions for ashing and cleaning treatment, the thicker the remaining
以上の工程によってビアホール10を形成した後は、同様にフォトリソグラフィー法を用いて配線溝を形成する。
After the via
具体的には、層間絶縁膜4の上に、所定のパターンを有する第2のレジスト膜11を形成する(図6)。尚、層間絶縁膜4の上に反射防止膜(図示せず)を設けてから、第2のレジスト膜11を形成してもよい。
Specifically, a second resist
次に、第2のレジスト膜11をマスクとし、層間絶縁膜4に対して第2のドライエッチングを行う。第2のドライエッチングも第1のドライエッチングと同様に、フッ素および炭素を含むガスを用いて行う。例えば、CHF3(トリフルオロメタン)、CH2F2(ジフルオロメタン)、C5F8(オクタフルオロシクロペンテン)、CF4(テトラフルオロメタン)、C4F8(オクタフルオロシクロブタン)、C5F8(オクタフルオロシクロペンテン)、C2F6(ヘキサフルオロエタン)、C4F6(ヘキサフルオロブタジエン)またはC6F6(ヘキサフルオロベンゼン)などのフルオロカーボン系のガスを用いることができる。但し、拡散防止膜およびキャップ膜の少なくとも一方に炭素を含む材料からなる膜を用いた場合には、第2のドライエッチングに使用するガスはフッ素を含むものであればよく、必ずしも炭素を含んでいる必要はない。
Next, second dry etching is performed on the
第2のドライエッチングが進行するにしたがって、第2の開口部12が形成されるとともに、第2の開口部12から露出した層間絶縁膜4には炭素とフッ素との反応生成膜9が形成される(図7)。そして、第2のドライエッチング終了後には、ビアホール10に接続する配線溝13が形成される(図8)。ここで、配線溝13から露出している層間絶縁膜4は反応生成膜9で被覆されている。尚、配線溝13は、ビアホール10を介して銅配線層1に至る開口部と表現することもできる。
As the second dry etching proceeds, a
次に、不要となった第2のレジスト膜11を除去する。この場合にも、条件を調節することによって反応生成膜9を薄膜として残す。具体的には、反応生成膜9を完全には除去しない条件で、還元性雰囲気下でのアッシングまたは還元性雰囲気下でのアッシングとこれに続く洗浄処理を行う。これにより、層間絶縁膜4の表面に露出した空孔を反応生成膜9で被覆することができる(図9)。反応生成膜9の膜厚は1nm〜15nmの範囲内であることが好ましい。
Next, the unnecessary second resist
続いて、ビアホール10および配線溝13の内面にバリアメタル膜14およびシード銅膜15を形成した後、これらの内部に銅層16の埋込みを行うことによって、ビアプラグ17および銅配線層18を形成する(図10)。この工程は、具体的には、次のようにして行うことができる。
Subsequently, after a
まず、ビアホール10および配線溝13を含む全面にバリアメタル膜14を形成した後、シード銅膜15を形成する。これらの膜は、スパッタリング法によって形成することができる。
First, after a
バリアメタル膜14としては、例えば、タンタル(Ta)膜、窒化タンタル(TaN)膜、タングステン(W)膜、窒化タングステン(WN)膜、チタン(Ti)膜または窒化チタン(TiN)膜などを用いることができる。
As the
シード銅膜15を形成した後は、メッキ法によってビアホール10および配線溝13を埋め込むようにして銅層16を形成する。ここで、銅層16は銅のみからなる層であってもよいが、銅と他の金属との合金からなる層であってもよい。具体的には、銅を80重量%以上、好ましくは90重量%以上含み、他の金属としてマグネシウム(Mg)、スカンジウム(Sc)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)またはモリブデン(Mo)などを含むものを用いることができる。このように銅の合金を配線層に用いることによって、半導体装置の電気的な信頼性を向上させることが可能になる。
After the
銅層16を形成した後は、加熱処理を行うことによって、銅を粒成長させるとともに、ビアホール10および配線溝13の内部に銅を均一に充填させる。その後、CMP(Chemical Mechanical Polishing,化学的機械研磨)法によって表面を平坦化し、ビアホール10および配線溝13の内部を除いて銅層16、シード銅膜15およびバリアメタル膜14を除去する。
After the
以上の工程によって、銅配線層1を有する半導体基板2の上に、ビアプラグ17と、溝配線としての銅配線層18を形成することができる(図10)。ここで、銅配線層18は、ビアプラグ17を介して銅配線層1と電気的に接続している。
Through the above steps, the via
上記のビアプラグおよび溝配線の形成工程を繰り返して行うことによって、多層配線構造を得ることができる。本発明によれば、層間絶縁膜とバリアメタル膜との間に炭素をおよびフッ素を含む反応生成膜(中間膜)が形成されているので、バリアメタルおよび銅の空孔内への拡散を防ぐことができる。したがって、電気的特性に優れた半導体装置を製造することができる。 A multilayer wiring structure can be obtained by repeatedly performing the above-described via plug and groove wiring formation processes. According to the present invention, since the reaction product film (intermediate film) containing carbon and fluorine is formed between the interlayer insulating film and the barrier metal film, diffusion of the barrier metal and copper into the vacancies is prevented. be able to. Therefore, a semiconductor device with excellent electrical characteristics can be manufactured.
1,18 銅配線層
2 半導体基板
3,24 拡散防止膜
4 層間絶縁膜
5,14 バリアメタル膜
6,16,22,30 銅層
7 第1のレジスト膜
8 第1の開口部
9 反応生成膜
10,26 ビアホール
11 第2のレジスト膜
12 第2の開口部
13,27 配線溝
15,29 シード銅膜
17 ビアプラグ
21,28 バリアメタル膜
23 下層配線
25 Low−k膜
31 バリアメタル拡散領域
32 銅拡散領域
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記層間絶縁膜と前記バリアメタル膜との間に炭素およびフッ素を含む中間膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。 A diffusion preventive film provided on a lower wiring; a porous interlayer insulating film having a relative dielectric constant less than 3.0 provided on the diffusion preventive film; and the diffusion preventive film and the interlayer insulating film A semiconductor device having a copper wiring embedded through a barrier metal film in the formed opening,
A semiconductor device, wherein an intermediate film containing carbon and fluorine is formed between the interlayer insulating film and the barrier metal film.
下層配線が形成された半導体基板の上方に、比誘電率が3.0未満である多孔質の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に対し、所定のパターンに加工されたレジスト膜をマスクとし且つフルオロカーボン系のガスを用いてドライエッチングを行い、前記下層配線に至る開口部を形成するとともに、前記層間絶縁膜の側壁部に炭素およびフッ素の反応生成膜を形成する工程と、
前記反応生成膜を完全には除去しない条件で前記レジスト膜を除去する工程と、
前記開口部の内面にバリアメタル膜を形成する工程と、
前記バリアメタル膜を介して前記開口部を埋め込むように銅層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure,
Forming a porous interlayer insulating film having a relative dielectric constant of less than 3.0 above the semiconductor substrate on which the lower layer wiring is formed;
The interlayer insulating film is subjected to dry etching using a resist film processed into a predetermined pattern as a mask and using a fluorocarbon-based gas to form an opening reaching the lower layer wiring, and a side wall of the interlayer insulating film Forming a carbon and fluorine reaction product film on the part;
Removing the resist film under conditions that do not completely remove the reaction product film;
Forming a barrier metal film on the inner surface of the opening;
And a step of forming a copper layer so as to fill the opening through the barrier metal film.
下層配線上に拡散防止膜を形成する工程と、
前記拡散防止膜の上に、比誘電率が3.0未満である多孔質の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜および前記拡散防止層に対し、所定のパターンに加工された第1のレジスト膜をマスクとし且つフルオロカーボン系のガスを用いてドライエッチングを行い、前記下層配線に至るビアホールを形成する工程と、
前記第1のレジスト膜を除去する工程と、
所定のパターンに加工された第2のレジスト膜をマスクとし且つフルオロカーボン系のガスを用いて前記層間絶縁膜をドライエッチングし、前記ビアホールに接続する配線溝を形成する工程と、
前記第2のレジスト膜を除去する工程と、
前記ビアホールおよび前記配線溝の内面にバリアメタル膜を形成する工程と、
前記バリアメタル膜を介して前記ビアホールおよび前記配線溝を埋め込むように銅層を形成する工程とを有し、
前記ビアホールを形成する工程および前記配線溝を形成する工程は、前記層間絶縁膜の側壁部に炭素およびフッ素の反応生成膜を形成する工程でもあり、
前記第1のレジスト膜を除去する工程および前記第2のレジスト膜を除去する工程は、前記反応生成膜を完全には除去しない条件で行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure,
Forming a diffusion barrier film on the lower wiring;
Forming a porous interlayer insulating film having a relative dielectric constant of less than 3.0 on the diffusion preventing film;
A step of forming a via hole reaching the lower layer wiring by performing dry etching on the interlayer insulating film and the diffusion prevention layer using the first resist film processed into a predetermined pattern as a mask and using a fluorocarbon-based gas When,
Removing the first resist film;
Using the second resist film processed into a predetermined pattern as a mask and using a fluorocarbon-based gas to dry-etch the interlayer insulating film to form a wiring groove connected to the via hole;
Removing the second resist film;
Forming a barrier metal film on the inner surface of the via hole and the wiring groove;
Forming a copper layer so as to fill the via hole and the wiring groove through the barrier metal film,
The step of forming the via hole and the step of forming the wiring groove are also a step of forming a reaction product film of carbon and fluorine on the side wall portion of the interlayer insulating film,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step of removing the first resist film and the step of removing the second resist film are performed under conditions that do not completely remove the reaction product film.
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