JP2005310880A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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友陵 庄野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for improving the reliability of a semiconductor device. <P>SOLUTION: A liner film 13 and an interlayer insulating film 3 are laminated on an interlayer insulating film 1 in which a lower layer wiring 2 is embedded, and a through hole 6 is formed therein. A tantalum nitride film 7 is formed on the surface of the through hole 6 and the lower layer wiring 2, and a tantalum film 8 is formed thereon. A first metal layer 10 is formed on the tantalum film 8, and a second metal layer 11 for filling the through hole 6 is formed thereon. The first metal layer 10 and second metal layer 11 comprise copper or copper-based metal, and the second metal layer 11 is formed by electrolytic plating method using the first metal layer 10 as a seed layer. The ratio of the thickness of the tantalum film 8 to that of the tantalum nitride film 7 is set to be 4 or over. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、銅あるいは銅基金属から成る金属層を備える半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a metal layer made of copper or a copper-based metal and a method for manufacturing the same.

半導体装置の寸法が縮小されるのに伴い、従来のアルミニウム配線に代えて銅配線が用いられてきている。通常、銅配線の形成はダマシン法を用いて行われる。例えば、層間絶縁膜内に設けられた孔の表面にバリアメタル層及びシード層を順次形成し、その後電解メッキ法を用いて当該孔を充填するメッキ層を形成する。   As the dimensions of semiconductor devices are reduced, copper wiring has been used instead of conventional aluminum wiring. Usually, the copper wiring is formed using a damascene method. For example, a barrier metal layer and a seed layer are sequentially formed on the surface of the hole provided in the interlayer insulating film, and then a plating layer filling the hole is formed using an electrolytic plating method.

このような銅配線を備える半導体装置においては、バリアメタル層、シード層、メッキ層、あるいはメッキ層形成後に行われるアニール条件などの見直しにより信頼性の向上が図られている。例えば、特許文献1では、(002)配向したチタン膜上にアモルファスのバリア膜を形成し、これらをバリアメタル層とすることにより、バリアメタル層上のシード層及びメッキ層の(111)配向性を強め、これにより半導体装置の信頼性の向上を図っている。   In a semiconductor device having such a copper wiring, reliability is improved by reviewing a barrier metal layer, a seed layer, a plating layer, or annealing conditions performed after the plating layer is formed. For example, in Patent Document 1, an amorphous barrier film is formed on a (002) -oriented titanium film, and these are used as a barrier metal layer, whereby the (111) orientation of the seed layer and the plating layer on the barrier metal layer. As a result, the reliability of the semiconductor device is improved.

なお、特許文献2〜7にも銅配線に関する技術が開示されている。   Patent Documents 2 to 7 also disclose techniques related to copper wiring.

特開2000−183064号公報JP 2000-183064 A 特開平11−283979号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-283379 特開平11−26394号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-26394 特開平11−307476号公報JP-A-11-307476 特開2001−148383号公報JP 2001-148383 A 特開2002−155390号公報JP 2002-155390 A 特開2001−189287号公報JP 2001-189287 A

上述のように特許文献1の技術では、シード層やメッキ層の(111)配向性を強めることによって半導体装置の信頼性を向上させようとしているが、シード層やメッキ層の(111)配向性を強めても、期待されるほどの効果が得られず、十分な半導体装置の信頼性を確保することができない場合があった。   As described above, the technique of Patent Document 1 attempts to improve the reliability of the semiconductor device by enhancing the (111) orientation of the seed layer and the plating layer. However, the (111) orientation of the seed layer and the plating layer is improved. However, there is a case in which the expected effect cannot be obtained and sufficient reliability of the semiconductor device cannot be secured.

そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、半導体装置の信頼性を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a technique capable of improving the reliability of a semiconductor device.

この発明の半導体装置の製造方法は、(a)層間絶縁膜内に孔を形成する工程と、(b)前記孔の表面にタンタルナイトライド膜を形成する工程と、(c)前記タンタルナイトライド膜上にタンタル膜を形成する工程と、(d)前記タンタル膜上に銅あるいは銅基金属から成る第1金属層を形成する工程と、(e)前記第1金属層をシード層とする電解メッキ法を用いて、銅あるいは銅基金属から成り前記孔を充填する第2金属層を前記第1金属層上に形成する工程とを備え、前記工程(b)で形成される前記タンタルナイトライド膜の膜厚に対する、前記工程(c)で形成される前記タンタル膜の膜厚の比は4以上に設定される。   The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes (a) a step of forming a hole in an interlayer insulating film, (b) a step of forming a tantalum nitride film on the surface of the hole, and (c) the tantalum nitride. Forming a tantalum film on the film; (d) forming a first metal layer made of copper or a copper-based metal on the tantalum film; and (e) electrolysis using the first metal layer as a seed layer. Forming a second metal layer made of copper or a copper-based metal and filling the hole on the first metal layer using a plating method, and the tantalum nitride formed in the step (b) The ratio of the film thickness of the tantalum film formed in the step (c) to the film thickness is set to 4 or more.

この発明の半導体装置の製造方法によれば、タンタルナイトライド膜とタンタル膜の積層膜上に第1金属層を形成しているため、当該第1金属層の(111)配向性が減少する。このような第1金属層をシード層とする電解メッキ法で当該第1金属層上に第2金属層を形成すると、第2金属層の(111)配向性も減少する。そのため、第2金属層の結晶粒径が大きくなる。そして、本発明では、タンタルナイトライド膜の膜厚に対するタンタル膜の膜厚の比が4以上に設定されているため、第2金属層の結晶粒径が大幅に大きくなる。そのため、第2金属層でのバンブー構造を確実に維持することができ、当該第2金属層におけるボイド成長核の発生を抑制することができる。その結果、本半導体装置の信頼性が向上する。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, since the first metal layer is formed on the laminated film of the tantalum nitride film and the tantalum film, the (111) orientation of the first metal layer is reduced. When the second metal layer is formed on the first metal layer by the electrolytic plating method using the first metal layer as a seed layer, the (111) orientation of the second metal layer is also reduced. Therefore, the crystal grain size of the second metal layer is increased. In the present invention, since the ratio of the tantalum film thickness to the tantalum nitride film thickness is set to 4 or more, the crystal grain size of the second metal layer is significantly increased. Therefore, the bamboo structure in the second metal layer can be reliably maintained, and generation of void growth nuclei in the second metal layer can be suppressed. As a result, the reliability of the semiconductor device is improved.

図1は本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。図1に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置は、内部に下層配線2が埋め込まれている層間絶縁膜1を備えている。下層配線2は、銅や銅基金属からなる金属層(図示せず)と当該金属層と層間絶縁膜1との間に介在する導電性のバリアメタル層(図示せず)とが積層された構造を成しており、その上面は層間絶縁膜1から露出している。なお、層間絶縁膜1の下方には半導体素子が形成された半導体基板(図示せず)が存在し、当該半導体基板に形成された半導体素子と下層配線2とは電気的に接続されている。また、層間絶縁膜1は例えばシリコン酸化膜から成る。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the present embodiment includes an interlayer insulating film 1 in which a lower layer wiring 2 is embedded. The lower wiring 2 is formed by laminating a metal layer (not shown) made of copper or a copper-based metal and a conductive barrier metal layer (not shown) interposed between the metal layer and the interlayer insulating film 1. The upper surface of the structure is exposed from the interlayer insulating film 1. A semiconductor substrate (not shown) on which a semiconductor element is formed exists below the interlayer insulating film 1, and the semiconductor element formed on the semiconductor substrate and the lower layer wiring 2 are electrically connected. The interlayer insulating film 1 is made of, for example, a silicon oxide film.

層間絶縁膜1及び下層配線2の上にはライナー層13が形成されている。ライナー層13は例えばシリコン窒化膜から成る。そして、ライナー層13上には例えばシリコン酸化膜から成る層間絶縁膜3が形成されている。   A liner layer 13 is formed on the interlayer insulating film 1 and the lower layer wiring 2. The liner layer 13 is made of, for example, a silicon nitride film. An interlayer insulating film 3 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the liner layer 13.

ライナー層13及び層間絶縁膜3には、層間絶縁膜3の上面から下層配線2の上面まで達する貫通孔6が形成されており、当該貫通孔6は接続孔4と溝5とで形成されている。溝5は、層間絶縁膜3の上部に形成されており、層間絶縁膜3の上面に向って開口している。接続孔4は溝5と連通しており、層間絶縁膜3の下部とライナー層13とに形成されている。そして、接続孔4は下層配線2の上面を部分的に露出させている。   A through hole 6 extending from the upper surface of the interlayer insulating film 3 to the upper surface of the lower layer wiring 2 is formed in the liner layer 13 and the interlayer insulating film 3. The through hole 6 is formed by the connection hole 4 and the groove 5. Yes. The trench 5 is formed on the interlayer insulating film 3 and opens toward the upper surface of the interlayer insulating film 3. The connection hole 4 communicates with the groove 5 and is formed in the lower part of the interlayer insulating film 3 and the liner layer 13. The connection hole 4 partially exposes the upper surface of the lower layer wiring 2.

下層配線2の上面のうち接続孔4によって露出された部分と貫通孔6の表面の上には、タンタルナイトライド膜(以後、「TaN膜」と呼ぶ)7が形成されており、TaN膜7上にはタンタル膜(以後、「Ta膜」と呼ぶ)8が形成されている。そして、TaN膜7とTa膜8とでバリアメタル層9を構成している。本実施の形態に係る半導体装置では、TaN膜7の膜厚に対するTa膜8の膜厚の比は4以上に設定されている。つまり、Ta膜8の膜厚をTaN膜7の膜厚で割った値は4以上となる。例えば、TaN膜7及びTa膜8の膜厚はそれぞれ10nm及び45nmに設定される。   A tantalum nitride film (hereinafter referred to as “TaN film”) 7 is formed on a portion of the upper surface of the lower layer wiring 2 exposed by the connection hole 4 and on the surface of the through hole 6. A tantalum film (hereinafter referred to as “Ta film”) 8 is formed thereon. The TaN film 7 and the Ta film 8 constitute a barrier metal layer 9. In the semiconductor device according to the present embodiment, the ratio of the thickness of the Ta film 8 to the thickness of the TaN film 7 is set to 4 or more. That is, the value obtained by dividing the thickness of the Ta film 8 by the thickness of the TaN film 7 is 4 or more. For example, the film thicknesses of the TaN film 7 and the Ta film 8 are set to 10 nm and 45 nm, respectively.

バリアメタル層9のTa膜8上には第1金属層10が形成されている。そして、第1金属層10上には貫通孔6を充填する第2金属層11が形成されている。第1金属層10及び第2金属層11は銅や銅基金属から成り、後述するように、第2金属層11は第1金属層10をシード層とする電解メッキ法で形成される。   A first metal layer 10 is formed on the Ta film 8 of the barrier metal layer 9. A second metal layer 11 that fills the through hole 6 is formed on the first metal layer 10. The first metal layer 10 and the second metal layer 11 are made of copper or a copper-based metal. As described later, the second metal layer 11 is formed by an electrolytic plating method using the first metal layer 10 as a seed layer.

貫通孔6を充填するバリアメタル層9、第1金属層10及び第2金属層11のうち、溝5を充填する部分は上層配線として機能し、接続孔4を充填する部分は、当該上層配線と下層配線2とを電気的に接続するコンタクトプラグとして機能する。   Of the barrier metal layer 9, the first metal layer 10 and the second metal layer 11 filling the through hole 6, the portion filling the groove 5 functions as an upper layer wiring, and the portion filling the connection hole 4 is the upper layer wiring. And function as a contact plug that electrically connects the lower layer wiring 2.

なお、ライナー層13、下層配線2内のバリアメタル層及びバリアメタル層9は、下層配線2、第1金属層10及び第2金属層11に含まれる銅原子の層間絶縁膜1,3への拡散を抑止する機能を発揮する。   The liner layer 13, the barrier metal layer in the lower wiring 2 and the barrier metal layer 9 are connected to the interlayer insulating films 1 and 3 of copper atoms contained in the lower wiring 2, the first metal layer 10 and the second metal layer 11. Demonstrate the ability to prevent diffusion.

次に、図1に示される本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図2〜6は本実施の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。図2に示されるように、まず層間絶縁膜1内に下層配線2を埋め込み、層間絶縁膜1及び下層配線2上にライナー層13及び層間絶縁膜3を順次形成する。そして、ドライエッチングを行うことによって、層間絶縁膜3の上部に溝5を形成し、その下部及びライナー層13に接続孔4を形成する。これにより、層間絶縁膜3及びライナー層13に貫通孔6が完成する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment shown in FIG. 1 will be described. 2 to 6 are cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to this embodiment in the order of steps. As shown in FIG. 2, first, the lower layer wiring 2 is embedded in the interlayer insulating film 1, and the liner layer 13 and the interlayer insulating film 3 are sequentially formed on the interlayer insulating film 1 and the lower layer wiring 2. Then, by performing dry etching, the groove 5 is formed in the upper part of the interlayer insulating film 3 and the connection hole 4 is formed in the lower part and the liner layer 13. Thereby, the through hole 6 is completed in the interlayer insulating film 3 and the liner layer 13.

次に、図3に示されるように、例えばスパッタ法を用いて膜厚10nmのTaN膜7を全面に形成する。これにより、層間絶縁膜3の上面上と、貫通孔6の表面上と、接続孔4によって露出している下層配線2の上面上とにTaN膜7が形成される。そして、図4に示されるように、例えばスパッタ法を用いて膜厚45nmのTa膜8をTaN膜7上に形成する。これにより、TaN膜7とTa膜8とで構成されるバリアメタル層9が形成される。本例では、TaN膜7の膜厚に対するTa膜8の膜厚の比は4.5に設定されている。   Next, as shown in FIG. 3, a TaN film 7 having a film thickness of 10 nm is formed on the entire surface by, eg, sputtering. As a result, the TaN film 7 is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 3, the surface of the through hole 6, and the upper surface of the lower layer wiring 2 exposed by the connection hole 4. Then, as shown in FIG. 4, a Ta film 8 having a film thickness of 45 nm is formed on the TaN film 7 by using, for example, a sputtering method. Thereby, a barrier metal layer 9 composed of the TaN film 7 and the Ta film 8 is formed. In this example, the ratio of the thickness of the Ta film 8 to the thickness of the TaN film 7 is set to 4.5.

次に、図5に示されるように、例えばスパッタ法を用いて、シード層として用いられる膜厚80nmの第1金属層10をTa膜8上に形成する。そして、図6に示されるように、第1金属層10をシード層とする電解メッキ法を用いて、例えば膜厚600nmの第2金属層11を第1金属層10上に形成する。このとき、硫酸銅系の電解メッキ液が使用される。これにより、貫通孔6が第2金属層11で充填される。そして、第2金属層11の形成後に得られた構造に対して窒素雰囲気中において100℃でアニール処理を行う。   Next, as shown in FIG. 5, the first metal layer 10 having a thickness of 80 nm used as a seed layer is formed on the Ta film 8 by using, for example, a sputtering method. Then, as shown in FIG. 6, for example, a second metal layer 11 having a thickness of 600 nm is formed on the first metal layer 10 by using an electrolytic plating method using the first metal layer 10 as a seed layer. At this time, a copper sulfate electrolytic plating solution is used. Thereby, the through hole 6 is filled with the second metal layer 11. Then, the structure obtained after the formation of the second metal layer 11 is annealed at 100 ° C. in a nitrogen atmosphere.

次に、層間絶縁膜3上のバリアメタル層9、第1金属層10及び第2金属層11をCMP法を用いて除去する。これにより、図1に示される半導体装置が得られる。   Next, the barrier metal layer 9, the first metal layer 10, and the second metal layer 11 on the interlayer insulating film 3 are removed using a CMP method. Thereby, the semiconductor device shown in FIG. 1 is obtained.

このように本実施の形態では、バリアメタル層9としてTaN膜7とTa膜8との積層膜を採用しているため、バリアメタル層9上に第1金属層10を形成すると、当該第1金属層10の(111)配向性が減少する。このような第1金属層10をシード層とする電解メッキ法で当該第1金属層10上に第2金属層11を形成すると、第2金属層の(111)配向性も減少する。そのため、第2金属層11の結晶粒径が大きくなる。そして、本実施の形態では、TaN膜7に対するTa膜8の膜厚比が4以上に設定されているため、第2金属層11の結晶粒径が大幅に大きくなる。そのため、第2金属層11でのバンブー構造を確実に維持することができ、第2金属層11におけるボイド成長核の発生を抑制することができる。その結果、本半導体装置の信頼性が向上する。以下に、このことについて詳細に説明する。   As described above, in the present embodiment, since the laminated film of the TaN film 7 and the Ta film 8 is adopted as the barrier metal layer 9, when the first metal layer 10 is formed on the barrier metal layer 9, the first metal layer 10 is formed. The (111) orientation of the metal layer 10 decreases. When the second metal layer 11 is formed on the first metal layer 10 by the electrolytic plating method using the first metal layer 10 as a seed layer, the (111) orientation of the second metal layer is also reduced. Therefore, the crystal grain size of the second metal layer 11 is increased. In this embodiment, since the film thickness ratio of the Ta film 8 to the TaN film 7 is set to 4 or more, the crystal grain size of the second metal layer 11 is significantly increased. Therefore, the bamboo structure in the second metal layer 11 can be reliably maintained, and generation of void growth nuclei in the second metal layer 11 can be suppressed. As a result, the reliability of the semiconductor device is improved. This will be described in detail below.

一般的に、銅や銅基金属から成る銅配線でのエレクトロマイグレーションの発生原因は、粒界拡散ではなく表面拡散が支配的であると考えられている。しかしながら、エレクトロマイグレーションを評価すると、細い幅の配線よりも太い幅の配線の方が短寿命になる傾向にあり、この傾向は、配線幅に依存しない表面拡散では説明することができない。この傾向は、実際の配線寿命が最も速く成長するボイドによって決定されるために発生するものと考えられる。つまり、配線幅の増大とともに配線の構造はバンブー構造から多結晶構造に遷移し、これにより、配線中に粒界三重点などのボイド成長核となる欠陥構造が多く発生するために、配線幅が増大すると配線が短寿命になると考えられる。従って、配線の結晶粒径が大きくなると結晶粒界がバンブー状と成りやすいことから、配線のバンブー構造を維持してボイド成長核の発生を抑制するためには、配線の結晶粒径の巨大化が有効である。つまり、本実施の形態で言えば、第2金属層11の結晶粒径を大きくすることによって、そこでのボイド成長核の発生を抑制することができる。   In general, the cause of electromigration in copper wiring made of copper or a copper-based metal is considered to be dominated by surface diffusion rather than grain boundary diffusion. However, when electromigration is evaluated, wiring having a thick width tends to have a shorter life than wiring having a narrow width, and this tendency cannot be explained by surface diffusion that does not depend on the wiring width. This trend is thought to occur because the actual wiring life is determined by the fastest growing void. In other words, as the wiring width increases, the wiring structure changes from a bamboo structure to a polycrystalline structure, and this causes many defect structures that become void growth nuclei such as grain boundary triple points in the wiring. Increasing the wiring is thought to shorten the life of the wiring. Therefore, as the crystal grain size of the wiring increases, the grain boundary tends to form a bamboo shape. To maintain the wiring bamboo structure and suppress the generation of void growth nuclei, the crystal grain size of the wiring is increased. Is effective. That is, in the present embodiment, by increasing the crystal grain size of the second metal layer 11, generation of void growth nuclei therein can be suppressed.

上述のように、第2金属層11は第1金属層10をシード層とする電解メッキ法で形成される。このような第2金属層11の結晶粒径を大きくするためには、シード層である第1金属層10の(111)配向性を減少させ、当該第1金属層10の各配向性をより均等にする必要がある。図7はバリアメタル層9の材料と第1金属層10の(111)配向性との関係を示す図である。図7に示されるように、バリアメタル層9としてTa膜を採用した場合には、第1金属層10の(111)配向度は47120cpsとなり、TaN膜を採用した場合には10570cpsとなり、チタン膜(図7中では「Ti膜」と表記)を採用した場合には210170cpsとなる。そして、本実施の形態のように、バリアメタル層9としてTaN膜とTa膜との積層膜を採用した場合には、第1金属層10の(111)配向度は7400cpsとなる。   As described above, the second metal layer 11 is formed by an electrolytic plating method using the first metal layer 10 as a seed layer. In order to increase the crystal grain size of the second metal layer 11, the (111) orientation of the first metal layer 10 that is the seed layer is decreased, and each orientation of the first metal layer 10 is further increased. It needs to be even. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the material of the barrier metal layer 9 and the (111) orientation of the first metal layer 10. As shown in FIG. 7, when the Ta film is used as the barrier metal layer 9, the (111) orientation degree of the first metal layer 10 is 47120 cps, and when the TaN film is used, it is 10570 cps. In the case of adopting (denoted as “Ti film” in FIG. 7), it becomes 210170 cps. And when the laminated film of TaN film and Ta film is employ | adopted as the barrier metal layer 9 like this Embodiment, the (111) orientation degree of the 1st metal layer 10 will be 7400 cps.

以上の結果から、第1金属層10の(111)配向性を減少させるためには、バリアメタル層9としてTaN膜とTa膜との積層膜が優れていることが理解できる。   From the above results, it can be understood that a stacked film of a TaN film and a Ta film is excellent as the barrier metal layer 9 in order to reduce the (111) orientation of the first metal layer 10.

図8は、バリアメタル層9におけるTaN膜7の膜厚に対するTa膜8の膜厚の比(以後、「Ta/TaNの膜厚比」と呼ぶ)と、第1金属層10の(111)配向性との関係を示す図である。図8に示されるように、Ta/TaNの膜厚比が増加すると、第1金属層10の(111)配向性が減少する。また図9は、Ta/TaNの膜厚比と、Ta膜8の(110)配向性との関係を示す図である。図9に示されるように、Ta/TaNの膜厚比が増加すると、Ta膜8の(110)配向性が増加する。これらのことから、Ta/TaNの膜厚比の増加によるTa膜8の(110)配向性の増加が、第1金属層10の(111)配向性の減少要因であると考えられる。   8 shows the ratio of the film thickness of the Ta film 8 to the film thickness of the TaN film 7 in the barrier metal layer 9 (hereinafter referred to as “Ta / TaN film thickness ratio”) and (111) of the first metal layer 10. It is a figure which shows the relationship with orientation. As shown in FIG. 8, when the film thickness ratio of Ta / TaN increases, the (111) orientation of the first metal layer 10 decreases. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the Ta / TaN film thickness ratio and the (110) orientation of the Ta film 8. As shown in FIG. 9, when the film thickness ratio of Ta / TaN increases, the (110) orientation of the Ta film 8 increases. From these facts, it is considered that the increase in the (110) orientation of the Ta film 8 due to the increase in the Ta / TaN film thickness ratio is a cause of the decrease in the (111) orientation of the first metal layer 10.

図10は、Ta/TaNの膜厚比と、第2金属層11の結晶粒径との関係を示す図である。図10に示されるように、Ta/TaNの膜厚比が増加すると第2金属層11の結晶粒径が増加する。そして、Ta/TaNの膜厚比が3.5までは、第2金属層11の結晶粒径の増加率はほぼ徐々に減少する。しかしながら、Ta/TaNの膜厚比が4.0のときには、第2金属層11の結晶粒径の増加率が大幅に上昇し、その結晶粒径は約5μmとなる。   FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the Ta / TaN film thickness ratio and the crystal grain size of the second metal layer 11. As shown in FIG. 10, as the Ta / TaN film thickness ratio increases, the crystal grain size of the second metal layer 11 increases. The rate of increase in the crystal grain size of the second metal layer 11 gradually decreases gradually until the Ta / TaN film thickness ratio is 3.5. However, when the Ta / TaN film thickness ratio is 4.0, the increase rate of the crystal grain size of the second metal layer 11 is significantly increased, and the crystal grain size is about 5 μm.

このように、Ta/TaNの膜厚比が4.0になると、第2金属層11の結晶粒径は大幅に大きくなる。従って、本実施の形態のように、Ta/TaNの膜厚比を4.0以上に設定することによって、第2金属層11のバンブー構造を確実に維持することができる。その結果、第2金属層11でのボイド成長核の発生を抑制することができ、本実施の形態に係る半導体装置の信頼性が向上する。   As described above, when the Ta / TaN film thickness ratio is 4.0, the crystal grain size of the second metal layer 11 is significantly increased. Therefore, the bamboo structure of the second metal layer 11 can be reliably maintained by setting the Ta / TaN film thickness ratio to 4.0 or more as in the present embodiment. As a result, generation of void growth nuclei in the second metal layer 11 can be suppressed, and the reliability of the semiconductor device according to the present embodiment is improved.

なお、上述の図2〜6を参照して説明した製造方法で、本実施の形態に係る半導体装置を製造した場合の第2金属層11の結晶粒径は5.0μm程度となる。一方、上述の図2〜6を参照して説明した製造方法において、Ta膜8の膜厚を10nmとする場合、つまり、Ta/TaNの膜厚比を1に設定する場合での第2金属層11の結晶粒径は2.5μm程度となる。   The crystal grain size of the second metal layer 11 when the semiconductor device according to the present embodiment is manufactured by the manufacturing method described with reference to FIGS. 2 to 6 is about 5.0 μm. On the other hand, in the manufacturing method described with reference to FIGS. 2 to 6 described above, the second metal in the case where the film thickness of the Ta film 8 is 10 nm, that is, the film thickness ratio of Ta / TaN is set to 1. The crystal grain size of the layer 11 is about 2.5 μm.

また、バリアメタル層9のTaN膜7の膜厚は本実施の形態のように8nm以上に設定されることが好ましい。これは、TaN膜7の膜厚が8nm未満であると、第2金属層11形成後に通常行われる高温アニール時におけるバリアメタル層9の特性が劣化するためである。   The film thickness of the TaN film 7 of the barrier metal layer 9 is preferably set to 8 nm or more as in the present embodiment. This is because if the thickness of the TaN film 7 is less than 8 nm, the characteristics of the barrier metal layer 9 are deteriorated during high-temperature annealing that is normally performed after the formation of the second metal layer 11.

また、本実施の形態では、バリアメタル層9をスパッタ法を用いて形成したが、PVD法やCVD法を用いて形成しても良い。更に、バリアメタル層9を形成する方法として、一度成膜を行い、その後にエッチングを実行し、再度成膜を行うような方法を採用した場合であっても、最終的なTa/TaNの膜厚比が4以上になれば、本発明と同様の効果が得られる。   In the present embodiment, the barrier metal layer 9 is formed using the sputtering method, but may be formed using the PVD method or the CVD method. Further, as a method of forming the barrier metal layer 9, even when a method of forming a film once, performing etching after that, and forming a film again is adopted, a final Ta / TaN film is formed. If the thickness ratio is 4 or more, the same effect as the present invention can be obtained.

また、本実施の形態では、シード層として機能する第1金属層10をスパッタ法を用いて形成したが、PVD法やCVD法あるいはメッキ法を用いて形成しても良い。更に、第1金属層10を形成する方法として、一度成膜を行い、その後にエッチングを実行し、再度成膜を行うような方法を採用しても良い。   In the present embodiment, the first metal layer 10 that functions as a seed layer is formed by a sputtering method, but may be formed by a PVD method, a CVD method, or a plating method. Furthermore, as a method for forming the first metal layer 10, a method may be employed in which film formation is performed once, etching is performed thereafter, and film formation is performed again.

本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の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。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention in process order. 本発明の実施の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。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention in process order. 本発明の実施の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。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention in process order. 本発明の実施の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。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention in process order. 本発明の実施の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。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention in process order. バリアメタル層の材料と第1金属層の(111)配向性との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the material of a barrier metal layer, and the (111) orientation of a 1st metal layer. バリアメタル層におけるTa/TaNの膜厚比と第1金属層の(111)配向性との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness ratio of Ta / TaN in a barrier metal layer, and the (111) orientation of a 1st metal layer. バリアメタル層におけるTa/TaNの膜厚比とTa膜の(110)配向性との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness ratio of Ta / TaN in a barrier metal layer, and the (110) orientation of Ta film. バリアメタル層におけるTa/TaNの膜厚比と第2金属層の結晶粒径との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness ratio of Ta / TaN in a barrier metal layer, and the crystal grain diameter of a 2nd metal layer.

符号の説明Explanation of symbols

1 層間絶縁膜、6 貫通孔、7 タンタルナイトライド膜、8 タンタル膜、10 第1金属層、11 第2金属層。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Interlayer insulating film, 6 Through-hole, 7 Tantalum nitride film, 8 Tantalum film, 10 1st metal layer, 11 2nd metal layer

Claims (4)

(a)層間絶縁膜内に孔を形成する工程と、
(b)前記孔の表面にタンタルナイトライド膜を形成する工程と、
(c)前記タンタルナイトライド膜上にタンタル膜を形成する工程と、
(d)前記タンタル膜上に銅あるいは銅基金属から成る第1金属層を形成する工程と、
(e)前記第1金属層をシード層とする電解メッキ法を用いて、銅あるいは銅基金属から成り前記孔を充填する第2金属層を前記第1金属層上に形成する工程と
を備え、
前記工程(b)で形成される前記タンタルナイトライド膜の膜厚に対する、前記工程(c)で形成される前記タンタル膜の膜厚の比は4以上に設定される、半導体装置の製造方法。
(A) forming a hole in the interlayer insulating film;
(B) forming a tantalum nitride film on the surface of the hole;
(C) forming a tantalum film on the tantalum nitride film;
(D) forming a first metal layer made of copper or a copper-based metal on the tantalum film;
(E) forming a second metal layer made of copper or a copper-based metal and filling the hole on the first metal layer using an electroplating method using the first metal layer as a seed layer. ,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein a ratio of a film thickness of the tantalum film formed in the step (c) to a film thickness of the tantalum nitride film formed in the step (b) is set to 4 or more.
請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程(b)において、前記タンタルナイトライド膜の膜厚は8nm以上に設定される、半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
In the step (b), the film thickness of the tantalum nitride film is set to 8 nm or more.
層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜内に設けられた孔と、
前記孔の表面に設けられたタンタルナイトライド膜と、
前記タンタルナイトライド膜上に設けられたタンタル膜と、
前記タンタル膜上に設けられた、銅あるいは銅基金属から成る第1金属層と、
前記第1金属層上に設けられ、銅あるいは銅基金属から成り前記孔を充填する第2金属層と
を備え、
前記タンタルナイトライド膜の膜厚に対する前記タンタル膜の膜厚の比は4以上に設定されている、半導体装置。
An interlayer insulating film;
A hole provided in the interlayer insulating film;
A tantalum nitride film provided on the surface of the hole;
A tantalum film provided on the tantalum nitride film;
A first metal layer made of copper or a copper-based metal provided on the tantalum film;
A second metal layer provided on the first metal layer and made of copper or a copper-based metal and filling the hole;
The ratio of the film thickness of the said tantalum film | membrane with respect to the film thickness of the said tantalum nitride film | membrane is set to 4 or more.
請求項3に記載の半導体装置であって、
前記タンタルナイトライド膜の膜厚は8nm以上に設定されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3,
The semiconductor device, wherein a film thickness of the tantalum nitride film is set to 8 nm or more.
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