JP2005277390A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板上に開口部42を有する層間絶縁膜41が配設される。開口部42内にCuを主成分とする配線本体層46が埋め込まれる。開口部42内で層間絶縁膜41と配線本体層46との間にバリア膜44が介在する。バリア膜44は所定の金属元素と層間絶縁膜41の構成元素との化合物を主成分とする。
【選択図】 図16
Description
半導体基板上に配設され且つ開口部を有する層間絶縁膜と、
前記開口部内に埋め込まれたCuを主成分とする配線本体層と、
前記開口部内で前記層間絶縁膜と前記配線本体層との間に介在するバリア膜と、前記バリア膜は所定の金属元素と前記層間絶縁膜の構成元素との化合物を主成分とすることと、
を具備する。
半導体基板上に配設された層間絶縁膜に開口部を形成する工程と、
前記開口部の内面を所定の金属元素を含む補助膜で被覆する工程と、
前記補助膜で被覆する工程の後、配線本体層の材料となるCuを主成分とする主膜を、前記開口部内を埋め込むように形成する工程と、
前記主膜を埋め込む工程の前または後に熱処理を行うことにより、前記補助膜中の前記所定の金属元素を前記補助膜に対面する前記層間絶縁膜の表面に拡散させ、前記所定の金属元素と前記層間絶縁膜の構成元素との化合物を主成分とするバリア膜を、前記開口部内で前記層間絶縁膜上に形成する工程と、
を具備する。
半導体基板上に配設された層間絶縁膜に開口部を形成する工程と、
配線本体層の材料となるCuを主成分とする主膜を、前記開口部内を埋め込むように形成する工程と、
前記主膜を埋め込む工程の後、前記主膜上に所定の金属元素を含む補助膜を形成する工程と、
前記補助膜を形成する工程の後に熱処理を行うことにより、前記補助膜中の前記所定の金属元素を前記主膜に対面する前記層間絶縁膜の表面に拡散させ、前記所定の金属元素と前記層間絶縁膜の構成元素との化合物を主成分とするバリア膜を、前記開口部内で前記層間絶縁膜上に形成する工程と、
を具備する。
図1(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、CuとMnとの合金からなる膜(所定の金属元素αを含む補助膜)13を形成する。合金膜13は、例えばスパッタ法により厚さ5〜100nmに形成する。合金膜13におけるMnの含有量は、原子%にして0.05〜20%である。合金膜13は、後述するCu主膜を電解メッキする際のシード層として機能する。
図2(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、CuとMnとの合金からなる膜(所定の金属元素αを含む補助膜)13を形成する。合金膜13は、例えばスパッタ法により厚さ5〜100nmに形成する。合金膜13におけるMnの含有量は、原子%にして0.05〜20%である。
図3(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、Cu膜17とMn膜18とをこの順で形成する。Cu膜17とMn膜18とは、所定の金属元素αを含む多層構造の補助膜を構成する。Cu膜17及びMn膜18は、例えばスパッタ法により、夫々厚さ5〜100nm、5〜100nmに形成する。
図4(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、Cu膜17とMn膜18とをこの順で形成する。Cu膜17とMn膜18とは、所定の金属元素αを含む多層構造の補助膜を構成する。Cu膜17及びMn膜18は、例えばスパッタ法により、夫々厚さ5〜100nm、5〜100nmに形成する。
図5(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、Mn膜18とCu膜17とをこの順で形成する。Mn膜18とCu膜17とは、所定の金属元素αを含む多層構造の補助膜を構成する。Mn膜18及びCu膜17は、例えばスパッタ法により、夫々厚さ5〜100nm、5〜100nmに形成する。
図6(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、Mn膜(所定の金属元素αを含む補助膜)18を形成する。Mn膜18は、例えばスパッタ法により、厚さ5〜100nmに形成する。
図7(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、CuとMnとの合金からなる膜(所定の金属元素αを含む補助膜)13を形成する。合金膜13は、例えばスパッタ法により厚さ5〜100nmに形成する。合金膜13におけるMnの含有量は、原子%にして0.05〜20%である。
図8(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、CuとMnとの合金からなる膜(所定の金属元素αを含む補助膜)13を形成する。合金膜13は、例えばスパッタ法により厚さ5〜100nmに形成する。合金膜13におけるMnの含有量は、原子%にして0.05〜20%である。
図9(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、CuとMnとの合金からなる膜(所定の金属元素αを含む補助膜)13を形成する。合金膜13は、例えばスパッタ法により厚さ5〜100nmに形成する。合金膜13におけるMnの含有量は、原子%にして0.05〜20%である。
図10(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、CuとMnとの合金からなる膜(所定の金属元素αを含む補助膜)13を形成する。合金膜13は、例えばスパッタ法により厚さ5〜100nmに形成する。合金膜13におけるMnの含有量は、原子%にして0.05〜20%である。
図11(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、Cu膜17を形成する。Cu膜17は、例えばスパッタ法により、厚さ5〜100nmに形成する。Cu膜17は、後述するCu主膜を電解メッキする際のシード層として機能する。
図12(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、Cu膜17を形成する。Cu膜17は、例えばスパッタ法により、厚さ5〜100nmに形成する。
図13(a)に示すように、まず、SiO2からなる層間絶縁膜11に配線溝(開口部)12を形成する。次に、この溝12の内面を被覆するように、層間絶縁膜11上に、Cu膜17を形成する。Cu膜17は、例えばスパッタ法により、厚さ5〜100nmに形成する。
これ以降は図示しないが、CMPなどにより配線溝12外のCu主膜16を、絶縁膜19及び上側絶縁膜20と共に、研磨除去することにより、Cu層16aからなる低抵抗の配線本体層を配線溝12内に残置する。
図14は、各種のCu合金における熱処理温度に対する比抵抗の変化を示す特性図である。図14において、横軸は熱処理温度T(℃)、縦軸は合金の比抵抗R(μΩcm)を示す。Ni、Mg、或いはAlとCuとの合金では、熱処理温度が350℃を超えると比抵抗が大きくなる。これに対して、MnとCuとの合金では、比抵抗は熱処理温度の上昇と共に減少し、純銅のそれと等しくなる。これは、合金元素としてのMnはCu膜中には固溶せず界面に移動するために、比抵抗が純銅の値まで減少することを意味する。従って、合金元素としてMnを用いることにより、従来よりも低抵抗の配線を実現することができる。
図16(a)〜(f)は、本発明の第14の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。この実施形態は、第1の実施形態をデュアルダマシン配線構造に適用したものである。
図18は、本発明の第15の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。本実施形態は、第1の実施形態をシングルダマシン配線構造に適用したものである。この装置の基本的な製造方法は、第14の実施形態と概ね同じであるが、次のような点で異なる。
図19(a)〜(c)は、本発明の第16の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。この実施形態は、第10の実施形態をデュアルダマシン配線構造に適用したものである。
図20(a)〜(e)は、本発明の第17の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。この実施形態は、第7の実施形態をデュアルダマシン配線構造に適用したものである。
図22(a)〜(e)は、本発明の第18の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。この実施形態は、第17の実施形態を変形したものである。
図24(a)〜(f)は、本発明の第19の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。この実施形態は、第17の実施形態を更に変形したものである。
上述の実施形態では、配線本体層の材料としてCuを使用した場合が例示される。しかし、配線本体層は、Cuを主成分(即ち、50%以上)とする材料、例えば、一般的に配線材料として使用されているCu合金からなる場合も、上述と同様な効果が得られる。
Claims (19)
- 半導体基板上に配設され且つ開口部を有する層間絶縁膜と、
前記開口部内に埋め込まれたCuを主成分とする配線本体層と、
前記開口部内で前記層間絶縁膜と前記配線本体層との間に介在するバリア膜と、前記バリア膜は所定の金属元素と前記層間絶縁膜の構成元素との化合物を主成分とすることと、
を具備する半導体装置。 - 前記開口部は前記層間絶縁膜より下に配設された導電層に至るように形成され、前記バリア膜は前記導電層と前記配線本体層との間に介在しない請求項1に記載の半導体装置。
- 前記バリア膜は前記配線本体層の上側表面を更に覆う請求項1に記載の半導体装置。
- 前記所定の金属元素は、Mn、Nb、Zr、Cr、V、Y、Tc、及びReからなる群から選択された少なくとも1つの元素を具備する請求項1に記載の半導体装置。
- 前記層間絶縁膜は、Si、C、及びFからなる群から選択された少なくとも1つの元素とOとを具備し、前記バリア膜は、αxOy、αxSiyOz、αxCyOz、及びαxFyOzからなる群から選択された材料を主成分とし、ここで、αは前記所定の金属元素を表す請求項1に記載の半導体装置。
- 前記導電層は下側配線層であり、前記半導体装置は前記下側配線層と前記層間絶縁膜との間に介在する下側絶縁膜を更に具備し、前記開口部は前記下側絶縁膜を貫通する請求項2に記載の半導体装置。
- 前記下側絶縁膜は酸素を含有し、その酸素濃度が前記層間絶縁膜側よりも前記下側配線層側のほうが低くなるように設定される請求項6に記載の半導体装置。
- 前記下側絶縁膜は、SiC、SiCN、及びSiNからなる群から選択された材料を主成分とする請求項6に記載の半導体装置。
- 前記導電層は下側配線層であり、前記半導体装置は前記下側配線層と前記層間絶縁膜との間に介在する高融点金属層を更に具備する請求項2に記載の半導体装置。
- 前記層間絶縁膜は多孔質な低誘電率膜であり、前記装置は前記層間絶縁膜と前記バリア膜との間に介在する、前記層間絶縁膜よりも原子密度が高い被覆膜を更に具備する請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体基板上に配設された層間絶縁膜に開口部を形成する工程と、
前記開口部の内面を所定の金属元素を含む補助膜で被覆する工程と、
前記補助膜で被覆する工程の後、配線本体層の材料となるCuを主成分とする主膜を、前記開口部内を埋め込むように形成する工程と、
前記主膜を埋め込む工程の前または後に熱処理を行うことにより、前記補助膜中の前記所定の金属元素を前記補助膜に対面する前記層間絶縁膜の表面に拡散させ、前記所定の金属元素と前記層間絶縁膜の構成元素との化合物を主成分とするバリア膜を、前記開口部内で前記層間絶縁膜上に形成する工程と、
を具備する半導体装置の製造方法。 - 前記主膜を埋め込む工程の後、前記主膜の上側表面を上側絶縁膜で被覆し、その後に前記熱処理を行うことにより、前記補助膜中の前記所定の金属元素を前記主膜の前記上側表面にも拡散させ、前記所定の金属元素と前記上側絶縁膜の構成元素との化合物を主成分とする反応生成物膜を前記上側表面上に形成する請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記主膜を埋め込む工程の後、酸素を含む雰囲気内で前記熱処理を行うことにより、前記補助膜中の前記所定の金属元素を前記主膜の上側表面にも拡散させ、前記所定の金属元素の酸化物を主成分とする反応生成物膜を前記上側表面上に形成する請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体基板上に配設された層間絶縁膜に開口部を形成する工程と、
配線本体層の材料となるCuを主成分とする主膜を、前記開口部内を埋め込むように形成する工程と、
前記主膜を埋め込む工程の後、前記主膜上に所定の金属元素を含む補助膜を形成する工程と、
前記補助膜を形成する工程の後に熱処理を行うことにより、前記補助膜中の前記所定の金属元素を前記主膜に対面する前記層間絶縁膜の表面に拡散させ、前記所定の金属元素と前記層間絶縁膜の構成元素との化合物を主成分とするバリア膜を、前記開口部内で前記層間絶縁膜上に形成する工程と、
を具備する半導体装置の製造方法。 - 前記補助膜を上側絶縁膜で被覆し、その後に前記熱処理を行うことにより、前記所定の金属元素と前記上側絶縁膜の構成元素との化合物を主成分とする反応生成物膜を前記主膜の上側表面上に形成する請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記熱処理を、酸素を含む雰囲気内で行うことにより、前記所定の金属元素の酸化物を主成分とする反応生成物膜を前記主膜の上側表面上に形成する請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記所定の金属元素は、Mn、Nb、Zr、Cr、V、Y、Tc、及びReからなる群から選択された少なくとも1つの元素を具備する請求項11または14に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体基板上に配設された下側配線層上に、高融点金属層と前記層間絶縁膜とを順次形成する工程を更に具備し、前記開口部は前記高融点金属層を貫通するように形成される請求項11または14に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記層間絶縁膜は多孔質な低誘電率膜であり、前記方法は、前記補助膜及び前記主膜を形成する前に、前記開口部の内面を前記層間絶縁膜よりも原子密度が高い被覆膜で被覆する工程を更に具備する請求項11または14に記載の半導体装置の製造方法。
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