JP2006216787A - Semiconductor device and its fabrication process - 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、多層配線構造を有する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 having a multilayer wiring structure and a manufacturing method thereof.
近年、半導体装置の微細化・高速化に伴って配線構造の多層化が進んでいる。しかし、こうした微細化、高速化および多層化が進むと、配線抵抗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。ここで、信号遅延Tは、配線抵抗Rと寄生容量Cの積に比例する。したがって、信号遅延Tを小さくするためには、配線層の低抵抗化および寄生容量の低減が必要となる。 In recent years, with the miniaturization and speeding up of semiconductor devices, multilayered wiring structures have been advanced. However, as such miniaturization, speeding up, and multilayering progress, signal delay due to increased wiring resistance and parasitic capacitance between wiring layers becomes a problem. Here, the signal delay T is proportional to the product of the wiring resistance R and the parasitic capacitance C. Therefore, in order to reduce the signal delay T, it is necessary to reduce the resistance of the wiring layer and reduce the parasitic capacitance.
配線抵抗および寄生容量の増大に基づく信号遅延を防止するために、従来より、アルミニウム配線に代わる銅配線の導入が行われるとともに、層間絶縁膜として低誘電率の絶縁膜を用いることが試みられてきた。 In order to prevent signal delay due to increase in wiring resistance and parasitic capacitance, copper wiring has been introduced instead of aluminum wiring, and attempts have been made to use an insulating film having a low dielectric constant as an interlayer insulating film. It was.
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(例えば、特許文献1参照。)。 As a method for forming the copper wiring, 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 (see, for example, Patent Document 1).
ダマシン法は、具体的には、ドライエッチングによって層間絶縁膜に開口部を形成し、この開口部にバリアメタル膜を介して銅層を埋込んで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、化学的機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing Method,以下、CMP法という。)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, the damascene method is a technique in which an opening is formed in an interlayer insulating film by dry etching, and a copper layer is buried in the opening via a barrier metal film to form a copper wiring layer. The copper layer is embedded by forming a copper layer so as to embed the opening by a plating method, and then depositing the copper layer only in the opening by a chemical mechanical polishing method (hereinafter referred to as a CMP method). This can be achieved by polishing the surface to leave.
ところで、配線の微細化が進むにしたがって、半導体装置では、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションなどの信頼性の確保が重要となる。 By the way, as the miniaturization of wiring advances, it is important to ensure reliability such as stress migration and electromigration in a semiconductor device.
これに対して、バリアメタル膜を成膜した直後にin−situで物理的エッチングを行い、接続孔の底部にあるバリアメタル膜を完全に除去した後、さらに下層の銅配線層を凹状に加工する技術が提案されている。この方法では、エッチング条件を調整し、接続孔底部でのエッチング速度を他の部分の速度より相対的に速めることによって、配線溝等の接続孔以外の部分におけるバリアメタル膜を除去しないようにしている。 On the other hand, after the barrier metal film is formed, in-situ physical etching is performed to completely remove the barrier metal film at the bottom of the connection hole, and then the lower copper wiring layer is processed into a concave shape. Techniques to do this have been proposed. In this method, the barrier metal film in the portion other than the connection hole such as the wiring groove is not removed by adjusting the etching conditions and making the etching rate at the bottom of the connection hole relatively higher than the speed of other portions. Yes.
しかしながら、接続孔や配線溝におけるエッチング速度は、これらの構造や位置関係によって異なるので、全ての接続孔底部におけるバリアメタル膜を完全に除去する一方で、配線溝等の他の部分におけるバリアメタル膜を確実に残すようにすることは困難である。このため、実際には、接続孔底部のバリアメタル膜を完全に除去すると、配線溝底部等でも局所的にバリアメタル膜が除去されてしまい、この部分における下地の層間絶縁膜が露出するという問題を生じていた。 However, the etching rate in the connection hole and the wiring groove varies depending on the structure and positional relationship. Therefore, the barrier metal film at the bottom of all the connection holes is completely removed, while the barrier metal film in the other part such as the wiring groove. It is difficult to ensure that it remains. Therefore, in practice, when the barrier metal film at the bottom of the connection hole is completely removed, the barrier metal film is also locally removed at the bottom of the wiring trench and the like, and the underlying interlayer insulating film in this portion is exposed. Was produced.
こうした問題に対して、エッチング処理後にバリアメタル膜を再び成膜することによって、露出した層間絶縁膜を被覆することが試みられている。この場合、バリアメタル膜の成膜とエッチングとは、通常、in−situで同一のPVD(Physical Vapor Deposition)チャンバ内にて行われるので、2回目のバリアメタル膜の成膜も同じチャンバ内で行うのが主流である。しかし、PVD法により成膜したバリアメタル膜では、配線溝底部でバリアメタル膜が局所的に除去されることによって生じた段差を十分に被覆することは困難である。このため、配線を形成する銅層と層間絶縁膜とが直接接触する個所が発生し、半導体装置の信頼性が低下するという問題があった。 In order to solve such a problem, an attempt is made to cover the exposed interlayer insulating film by forming a barrier metal film again after the etching process. In this case, since the formation and etching of the barrier metal film are usually performed in-situ in the same PVD (Physical Vapor Deposition) chamber, the second barrier metal film is formed in the same chamber. It is the mainstream to do. However, with the barrier metal film formed by the PVD method, it is difficult to sufficiently cover the step caused by the local removal of the barrier metal film at the bottom of the wiring groove. For this reason, a portion where the copper layer forming the wiring and the interlayer insulating film are in direct contact is generated, and there is a problem that the reliability of the semiconductor device is lowered.
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、信頼性に優れた銅配線層を有する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 a copper wiring layer excellent in reliability 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.
本願の第1の発明は、多層配線構造を備えた半導体装置であって、この多層配線構造は、第1の層間絶縁膜と、この第1の層間絶縁膜に形成された第1の銅配線層と、第1の層間絶縁膜の上に形成された拡散防止膜と、この拡散防止膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、この第2の層間絶縁膜に形成された接続孔を介して第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線層と、接続孔の側壁部および第2の銅配線層の内面に形成されたバリアメタル膜と、このバリアメタル膜の上および第1の銅配線層の上に形成され、接続孔の底部以外の部分から露出した第2の層間絶縁膜を被覆する金属含有膜と、この金属含有膜の上に形成されて、タンタル、チタンおよびタングステン並びにこれらの窒化物および窒化圭化物よりなる群から選ばれる1の材料からなる膜とを有し、金属含有膜に含まれる金属が、延性が高くて第2の層間絶縁膜中での拡散係数が銅より小さい金属であることを特徴とする半導体装置に関する。 1st invention of this application is a semiconductor device provided with the multilayer wiring structure, Comprising: This multilayer wiring structure is a 1st interlayer insulation film, and the 1st copper wiring formed in this 1st interlayer insulation film A layer, a diffusion prevention film formed on the first interlayer insulation film, a second interlayer insulation film formed on the diffusion prevention film, and a connection formed on the second interlayer insulation film A second copper wiring layer electrically connected to the first copper wiring layer through the hole, a barrier metal film formed on the side wall of the connection hole and the inner surface of the second copper wiring layer, and the barrier metal A metal-containing film formed on the film and on the first copper wiring layer and covering the second interlayer insulating film exposed from a portion other than the bottom of the connection hole; and the metal-containing film. Selected from the group consisting of tantalum, tantalum, titanium and tungsten and their nitrides and nitrides And a metal contained in the metal-containing film is a metal having a high ductility and a diffusion coefficient smaller than copper in the second interlayer insulating film. .
また、本願の第2の発明は、多層配線構造を備えた半導体装置であって、この多層配線構造は、第1の層間絶縁膜と、この第1の層間絶縁膜に形成された第1の銅配線層と、第1の層間絶縁膜の上に形成された拡散防止膜と、この拡散防止膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、この第2の層間絶縁膜に形成された接続孔を介して第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線層と、接続孔の側壁部および第2の銅配線層の内面に形成されたバリアメタル膜と、このバリアメタル膜の上および第1の銅配線層の上に形成され、接続孔の底部以外の部分から露出した第2の層間絶縁膜を被覆する金属含有膜と、この金属含有膜の上に形成されて、窒化タンタル膜、タンタル膜、チタン膜およびタングステン膜並びにこれらの窒化物膜および窒化圭化物膜よりなる群から選ばれる2つ以上の膜により構成される積層膜とを有し、金属含有膜に含まれる金属が、延性が高くて第2の層間絶縁膜中での拡散係数が銅より小さい金属であることを特徴とする半導体装置に関する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a multilayer wiring structure, wherein the multilayer wiring structure includes a first interlayer insulating film and a first interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film. A copper wiring layer, a diffusion preventing film formed on the first interlayer insulating film, a second interlayer insulating film formed on the diffusion preventing film, and the second interlayer insulating film A second copper wiring layer electrically connected to the first copper wiring layer through the connection hole, a barrier metal film formed on the side wall of the connection hole and the inner surface of the second copper wiring layer, and A metal-containing film that is formed on the barrier metal film and on the first copper wiring layer and covers the second interlayer insulating film exposed from a portion other than the bottom of the connection hole, and formed on the metal-containing film A tantalum nitride film, a tantalum film, a titanium film and a tungsten film, and their nitride films and And a laminated film composed of two or more films selected from the group consisting of nitride films, and the metal contained in the metal-containing film is highly ductile and has a diffusion coefficient in the second interlayer insulating film. Is a metal smaller than copper.
また、本願の第3の発明は、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、第1の層間絶縁膜に第1の銅配線層を形成する工程と、第1の層間絶縁膜および第1の銅配線層の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第2の層間絶縁膜を形成する工程と、この第2の層間絶縁膜の上に第3の層間絶縁膜を形成する工程と、第2の層間絶縁膜および拡散防止膜を加工して、第1の銅配線層に至る接続孔を形成する工程と、第3の層間絶縁膜に接続孔に対応する配線溝を形成する工程と、接続孔および配線溝の内面を被覆するようにして第3の層間絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する工程と、物理的エッチングによって、接続孔の底部におけるバリアメタル膜を除去し、さらに第1の銅配線層の上面を断面で見て凹状に加工する工程と、ALD法またはCVD法により、接続孔の底部以外の部分から露出した第2の層間絶縁膜を被覆するようにして、バリアメタル膜の上および第1の銅配線層の上に、窒化タンタル、チタンおよびタングステン並びにこれらの窒化物および窒化圭化物よりなる群から選ばれる1の材料からなる膜を形成する工程と、接続孔および配線溝に銅層を埋め込んで、第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線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に関する。 A third invention of the present application is a method of manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure, the step of forming a first copper wiring layer on the first interlayer insulating film, a first interlayer insulating film, Forming a diffusion preventing film on the first copper wiring layer; forming a second interlayer insulating film on the diffusion preventing film; and a third on the second interlayer insulating film. A step of forming an interlayer insulating film, a step of processing the second interlayer insulating film and the diffusion prevention film to form a connection hole reaching the first copper wiring layer, and a connection hole in the third interlayer insulating film. A step of forming a corresponding wiring groove, a step of forming a barrier metal film on the third interlayer insulating film so as to cover the inner surface of the connection hole and the wiring groove, and a bottom portion of the connection hole by physical etching The barrier metal film is removed, and the top surface of the first copper wiring layer is concave when viewed in cross section. Over the barrier metal film and the first copper wiring layer so as to cover the second interlayer insulating film exposed from the portion other than the bottom of the connection hole by the processing step and the ALD method or the CVD method Forming a film made of one material selected from the group consisting of tantalum nitride, titanium and tungsten, and nitrides and nitrides thereof, and embedding a copper layer in the connection hole and the wiring trench, And a step of forming a second copper wiring layer electrically connected to the wiring layer.
また、本願の第4の発明は、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、第1の層間絶縁膜に第1の銅配線層を形成する工程と、第1の層間絶縁膜および第1の銅配線層の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第2の層間絶縁膜を形成する工程と、この第2の層間絶縁膜の上に第3の層間絶縁膜を形成する工程と、第2の層間絶縁膜および拡散防止膜を加工して、第1の銅配線層に至る接続孔を形成する工程と、第3の層間絶縁膜に接続孔に対応する配線溝を形成する工程と、接続孔および配線溝の内面を被覆するようにして第3の層間絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する工程と、物理的エッチングによって、接続孔の底部における第2のバリアメタル膜を除去し、さらに第1の銅配線層の上面を断面で見て凹状に加工する工程と、接続孔の底部以外の部分から露出した第2の層間絶縁膜を被覆するようにして、バリアメタル膜の上および第1の銅配線層の上に、窒化チタン膜、タンタル膜、チタン膜およびタングステン膜並びにこれらの窒化物膜および窒化圭化物よりなる群から選ばれる2つ以上の膜により構成される積層膜を形成する工程と、接続孔および配線溝に銅層を埋め込んで、第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線層を形成する工程とを有し、積層膜を構成する少なくとも1つの膜は、ALD法またはCVD法によって形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。 A fourth invention of the present application is a method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure, the step of forming a first copper wiring layer on a first interlayer insulating film, a first interlayer insulating film, Forming a diffusion preventing film on the first copper wiring layer; forming a second interlayer insulating film on the diffusion preventing film; and a third on the second interlayer insulating film. A step of forming an interlayer insulating film, a step of processing the second interlayer insulating film and the diffusion prevention film to form a connection hole reaching the first copper wiring layer, and a connection hole in the third interlayer insulating film. A step of forming a corresponding wiring groove, a step of forming a barrier metal film on the third interlayer insulating film so as to cover the inner surface of the connection hole and the wiring groove, and a bottom portion of the connection hole by physical etching The second barrier metal film is removed, and the top surface of the first copper wiring layer is viewed in cross section. A step of processing into a concave shape, and covering the second interlayer insulating film exposed from the portion other than the bottom of the connection hole, on the barrier metal film and on the first copper wiring layer, a titanium nitride film, A step of forming a laminated film composed of two or more films selected from the group consisting of a tantalum film, a titanium film and a tungsten film, and a nitride film and a nitride nitride thereof, and a copper layer in the connection hole and the wiring groove And forming a second copper wiring layer that is embedded and electrically connected to the first copper wiring layer, and at least one film constituting the laminated film is formed by an ALD method or a CVD method. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
また、本願の第5の発明は、多層配線構造を備えた半導体装置の製造方法であって、第1の層間絶縁膜に第1の銅配線層を形成する工程と、第1の層間絶縁膜および第1の銅配線層の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第2の層間絶縁膜を形成する工程と、この第2の層間絶縁膜の上に第3の層間絶縁膜を形成する工程と、第2の層間絶縁膜および拡散防止膜を加工して、第1の銅配線層に至る接続孔を形成する工程と、第3の層間絶縁膜に接続孔に対応する配線溝を形成する工程と、接続孔および配線溝の内面を被覆するようにして第2の層間絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する工程と、物理的エッチングによって、接続孔の底部における第2のバリアメタル膜を除去し、さらに第1の銅配線層の上面を断面で見て凹状に加工する工程と、接続孔の底部以外の部分から露出した第2の層間絶縁膜を被覆するようにして、バリアメタル膜の上および第1の銅配線層の上に金属含有膜を形成する工程と、この金属含有膜の上に、タンタル、チタンおよびタングステン並びにこれらの窒化物および窒化圭化物よりなる群から選ばれる1の材料からなる膜を形成する工程と、接続孔および配線溝に銅層を埋め込んで、第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線層を形成する工程とを有し、金属含有膜に含まれる金属が、延性が高くて第2の層間絶縁膜中での拡散係数が銅より小さい金属であることを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure, the step of forming a first copper wiring layer on the first interlayer insulating film, and the first interlayer insulating film. And a step of forming a diffusion preventive film on the first copper wiring layer, a step of forming a second interlayer insulating film on the diffusion preventive film, and a third on the second interlayer insulating film. Forming a second interlayer insulating film, processing the second interlayer insulating film and the diffusion prevention film to form a connection hole reaching the first copper wiring layer, and a connection hole in the third interlayer insulating film A step of forming a wiring groove corresponding to the step, a step of forming a barrier metal film on the second interlayer insulating film so as to cover the inner surface of the connection hole and the wiring groove, and a physical etching The second barrier metal film at the bottom is removed, and the top surface of the first copper wiring layer is viewed in cross section. Forming a metal-containing film on the barrier metal film and on the first copper wiring layer so as to cover the second interlayer insulating film exposed from the step other than the bottom of the connection hole and the step of processing into the concave shape A step of forming a film made of one material selected from the group consisting of tantalum, titanium and tungsten and nitrides and nitrides of nitride on the metal-containing film, and a connection hole and a wiring groove. And forming a second copper wiring layer that is electrically connected to the first copper wiring layer by embedding the copper layer, and the metal contained in the metal-containing film is highly ductile and has a second interlayer The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the diffusion coefficient in an insulating film is a metal smaller than copper.
さらに、本願の第6の発明は、多層配線構造を備えた半導体装置の製造方法であって、第1の層間絶縁膜に第1の銅配線層を形成する工程と、第1の層間絶縁膜および第1の銅配線層の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第2の層間絶縁膜を形成する工程と、この第2の層間絶縁膜の上に第3の層間絶縁膜を形成する工程と、第2の層間絶縁膜および拡散防止膜を加工して、第1の銅配線層に至る接続孔を形成する工程と、第3の層間絶縁膜に接続孔に対応する配線溝を形成する工程と、接続孔および配線溝の内面を被覆するようにして第3の層間絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する工程と、物理的エッチングによって、接続孔の底部における第2のバリアメタル膜を除去し、さらに第1の銅配線層の上面を断面で見て凹状に加工する工程と、接続孔の底部以外の部分から露出した第2の層間絶縁膜を被覆するようにして、バリアメタル膜の上および第1の銅配線層の上に金属含有膜を形成する工程と、この金属含有膜の上に、窒化タンタル膜、タンタル膜、チタン膜およびタングステン膜並びにこれらの窒化物膜および窒化圭化物膜よりなる群から選ばれる2つ以上の膜により構成される積層膜を形成する工程と、接続孔および配線溝に銅層を埋め込んで、第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線層を形成する工程とを有し、金属含有膜に含まれる金属が、延性が高くて第2の層間絶縁膜中での拡散係数が銅より小さい金属であることを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。 Furthermore, a sixth invention of the present application is a method of manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure, the step of forming a first copper wiring layer on the first interlayer insulating film, and the first interlayer insulating film And a step of forming a diffusion preventive film on the first copper wiring layer, a step of forming a second interlayer insulating film on the diffusion preventive film, and a third on the second interlayer insulating film. Forming a second interlayer insulating film, processing the second interlayer insulating film and the diffusion prevention film to form a connection hole reaching the first copper wiring layer, and a connection hole in the third interlayer insulating film A step of forming a wiring groove corresponding to the step, a step of forming a barrier metal film on the third interlayer insulating film so as to cover the inner surface of the connection hole and the wiring groove, and a physical etching The second barrier metal film at the bottom is removed, and the top surface of the first copper wiring layer is cross-sectioned. And forming a metal-containing film on the barrier metal film and the first copper wiring layer so as to cover the second interlayer insulating film exposed from the portion other than the bottom of the connection hole A step of forming, and on the metal-containing film, a tantalum nitride film, a tantalum film, a titanium film, and a tungsten film, and two or more films selected from the group consisting of these nitride films and nitride nitride films. Including a step of forming a laminated film and a step of forming a second copper wiring layer that is electrically connected to the first copper wiring layer by embedding a copper layer in the connection hole and the wiring groove. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the metal contained in the film is a metal having high ductility and a diffusion coefficient in the second interlayer insulating film smaller than that of copper.
本願の第1の発明によれば、金属含有膜の上に、タンタル、チタンおよびタングステン並びにこれらの窒化物および窒化圭化物よりなる群から選ばれる1の材料からなる膜を形成するので、配線溝の底部で第2のバリアメタル膜が除去されることにより露出した第2の層間絶縁膜を、段差部分を含めてこれらの膜で完全に被覆することができる。 According to the first invention of the present application, a film made of one material selected from the group consisting of tantalum, titanium and tungsten and nitrides and nitrides thereof is formed on the metal-containing film. The second interlayer insulating film exposed by removing the second barrier metal film at the bottom of the substrate can be completely covered with these films including the stepped portion.
また、本願の第2の発明によれば、金属含有膜の上に、窒化タンタル膜、タンタル膜、チタン膜およびタングステン膜並びにこれらの窒化物膜および窒化圭化物膜よりなる群から選ばれる2つ以上の膜により構成される積層膜を形成するので、下地に対してより高い段差被覆性が得られるとともに、シード銅との密着性を向上させることもできる。 According to the second invention of the present application, on the metal-containing film, two selected from the group consisting of a tantalum nitride film, a tantalum film, a titanium film and a tungsten film, and these nitride films and nitride nitride films. Since the laminated film composed of the above films is formed, higher step coverage with respect to the base can be obtained, and adhesion with the seed copper can be improved.
また、本願の第3の発明によれば、ALD法またはCVD法によって、バリアメタル膜の上および第1の銅配線層の上に、窒化タンタル、チタンおよびタングステン並びにこれらの窒化物および窒化圭化物よりなる群から選ばれる1の材料からなる膜を形成するので、配線溝の底部で第2のバリアメタル膜が除去されることにより露出した第2の層間絶縁膜を、段差部分を含めて完全に被覆することができる。 According to the third invention of the present application, tantalum nitride, titanium and tungsten, and nitrides and nitride nitrides thereof are formed on the barrier metal film and on the first copper wiring layer by ALD or CVD. Since the film made of one material selected from the group consisting of the above is formed, the second interlayer insulating film exposed by removing the second barrier metal film at the bottom of the wiring trench is completely removed including the step portion. Can be coated.
また、本願の第4の発明によれば、バリアメタル膜の上および第1の銅配線層の上に、窒化チタン膜、タンタル膜、チタン膜およびタングステン膜並びにこれらの窒化物膜および窒化圭化物よりなる群から選ばれる2つ以上の膜により構成される積層膜をALD法またはCVD法によって形成するので、配線溝の底部で第2のバリアメタル膜が除去されることにより露出した第2の層間絶縁膜を、段差部分を含めて完全に被覆することができる。また、シード銅との密着性を向上させることもできる。 According to the fourth invention of the present application, a titanium nitride film, a tantalum film, a titanium film and a tungsten film, and their nitride film and nitride nitride are formed on the barrier metal film and the first copper wiring layer. Since the laminated film composed of two or more films selected from the group consisting of these is formed by the ALD method or the CVD method, the second barrier metal film exposed by removing the second barrier metal film at the bottom of the wiring trench The interlayer insulating film can be completely covered including the step portion. Moreover, adhesiveness with seed copper can also be improved.
また、本願の第5の発明によれば、金属含有膜の上に、タンタル、チタンおよびタングステン並びにこれらの窒化物および窒化圭化物よりなる群から選ばれる1の材料からなる膜を形成するので、配線溝の底部で第2のバリアメタル膜が除去されることにより露出した第2の層間絶縁膜を、段差部分を含めてこれらの膜で完全に被覆することができる。 According to the fifth invention of the present application, on the metal-containing film, a film made of one material selected from the group consisting of tantalum, titanium and tungsten, and nitrides and nitrides thereof is formed. The second interlayer insulating film exposed by removing the second barrier metal film at the bottom of the wiring trench can be completely covered with these films including the stepped portion.
さらに、本願の第6の発明によれば、金属含有膜の上に、窒化タンタル膜、タンタル膜、チタン膜およびタングステン膜並びにこれらの窒化物膜および窒化圭化物膜よりなる群から選ばれる2つ以上の膜により構成される積層膜を形成するので、下地に対してより高い段差被覆性が得られるとともに、シード銅との密着性を向上させることもできる。 Further, according to the sixth invention of the present application, on the metal-containing film, two films selected from the group consisting of a tantalum nitride film, a tantalum film, a titanium film and a tungsten film, and a nitride film and a nitride nitride film thereof. Since the laminated film composed of the above films is formed, higher step coverage with respect to the base can be obtained, and adhesion with the seed copper can be improved.
実施の形態1.
図1〜図7を参照して、本発明による半導体装置の製造方法について説明する。尚、トランジスタ、拡散層およびプラグ形成などの通常のLSI製造工程については便宜上割愛し、金属配線の形成工程について説明する。また、図1〜図7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。
With reference to FIGS. 1-7, the manufacturing method of the semiconductor device by this invention is demonstrated. Note that a normal LSI manufacturing process such as transistor, diffusion layer, and plug formation will be omitted for the sake of convenience, and the metal wiring forming process will be described. Moreover, in FIGS. 1-7, it has shown that the part which attached | subjected the same code | symbol is the same.
まず、図1に示すように、下層の銅配線層が形成された半導体基板を準備する。図1において、1は第1の層間絶縁膜、2は第1のバリアメタル膜、3は第1の銅配線層である。第1のバリアメタル膜2としては、例えば、窒化タンタル(TaN)膜とタンタル(Ta)膜とからなる積層膜を用いることができる。尚、半導体基板としては、例えばシリコン基板などを用いることができるが、図1では半導体基板を省略している。
First, as shown in FIG. 1, a semiconductor substrate on which a lower copper wiring layer is formed is prepared. In FIG. 1, 1 is a first interlayer insulating film, 2 is a first barrier metal film, and 3 is a first copper wiring layer. As the first
次に、第1の銅配線層3および第1の層間絶縁膜1の上に拡散防止膜4を形成した後、拡散防止膜4の上に第2の層間絶縁膜5および第3の層間絶縁膜11をこの順に形成する(図2)。尚、第2の層間絶縁膜5と第3の層間絶縁膜11の間に、SiC膜またはSiN膜などのエッチングストッパ膜(図示せず)を設けてもよい。
Next, after forming the
第1の層間絶縁膜1、第2の層間絶縁膜5および第3の層間絶縁膜11は、それぞれ同じ膜であってもよいし、異なる膜であってもよい。また、いずれか2つが同じ膜であってもよい。例えば、SiO2膜、SiOC膜、HSQ(水素化シルセスキオキサン)膜、MSQ(メチルシルセスキオキサン)膜、ポーラスHSQ膜およびポーラスMSQ膜などの無機絶縁膜の他に、フッ素を含む有機ポリマー系の絶縁膜なども用いることができる。また、拡散防止膜4としては、例えば、SiN膜、SiC膜またはSiCN膜などを用いることができる。
The first
次いで、第2の層間絶縁膜5および第3の層間絶縁膜11を加工して、第1の銅配線層3に至る接続孔6と、接続孔6に対応した配線溝7とを形成する(図3)。例えば、第2の層間絶縁膜5および拡散防止膜4をドライエッチングして、第1の銅配線層3に至る接続孔6を形成した後、第3の層間絶縁膜11に接続孔6に対応する配線溝7を形成する。
Next, the second
次に、接続孔6および配線溝7の内面を被覆するようにして、第3の層間絶縁膜11の上に第2のバリアメタル膜8を形成する(図4)。例えば、窒化タンタル(TaN)膜とタンタル(Ta)膜とをこの順にPVD法により成膜して、第2のバリアメタル膜8とすることができる。尚、タンタル膜を形成してから窒化タンタル膜を形成してもよい。
Next, a second
第2のバリアメタル膜8を形成した後は、同一のチャンバ内において物理的エッチングを行う。これにより、接続孔6の底部に形成された第2のバリアメタル膜8を完全に除去した後、さらに第1の銅配線層3を断面で見て凹状に加工して図5の構造とする。エッチング条件は、接続孔6の底部におけるエッチング速度が、配線溝7等の他の部分におけるエッチング速度より相対的に速まるように調整する。
After the second
図5に示すように、物理的エッチングを行うことによって、接続孔6の底部だけでなく、配線溝7の底部における第2のバリアメタル膜8も部分的に除去される。これにより、第2の層間絶縁膜5が表面に露出する。
As shown in FIG. 5, by performing physical etching, not only the bottom of the connection hole 6 but also the second
本実施の形態においては、上記の物理的エッチングの後に、ALD(Atomic Layer Deposition)法またはCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、窒化タンタル(TaN)膜9を全面に形成することを特徴としている(図6)。ALD法やCVD法は、段差被覆性に優れた成膜方法であるので、窒化タンタル膜9をこれらの方法で形成することによって、配線溝7の底部で第2のバリアメタル膜8が除去されることにより露出した第2の層間絶縁膜5を、段差部分を含めて窒化タンタル膜9で完全に被覆することができる。
In the present embodiment, after the physical etching, a tantalum nitride (TaN)
窒化タンタル膜9を形成した後は、接続孔6と配線溝7に銅層を充填することによって、第2の銅配線層10を形成することができる(図7)。銅層の埋込みは、例えば、スパッタ法によってシード銅としての銅膜(図示せず)を形成した後にめっき法を用いて行うことができる。
After the
以上述べたように、本実施の形態によれば、接続孔6の底部における第2のバリアメタル膜8を物理的エッチングで除去した後に、ALD法またはCVD法を用いて窒化タンタル膜9を形成するので、配線溝7の底部で第2のバリアメタル膜8が局所的に除去されることにより生じた段差を窒化タンタル膜9で完全に被覆することができる。したがって、銅層10と第2の層間絶縁膜5とが直接接触するのを防ぐことができるので、銅が第2の層間絶縁膜5中に拡散するのを抑制して半導体装置の信頼性の向上を図ることが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, after the second
尚、本実施の形態においては、第2のバリアメタル膜8として、PVD法により成膜した窒化タンタル膜とタンタル膜とからなる積層膜を例に挙げたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、第2のバリアメタル膜8として、窒化タンタル膜またはタンタル膜からなる単層膜を用いることもできる。また、第2のバリアメタル膜8として、チタン(Ti)およびタングステン(W)等の高融点金属またはこれらの窒化物若しくは窒化圭化物からなる単層膜または積層膜を用いることもできる。第1のバリアメタル膜2についても同様である。
In the present embodiment, the second
また、本実施の形態においては、第2のバリアメタル膜2を物理的エッチングにより除去した後に、ALD法またはCVD法によって窒化タンタル膜9を成膜しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、窒化タンタル膜9に代えて、ALD法またはCVD法によって成膜したチタン(Ti)およびタングステン(W)等の高融点金属またはこれらの窒化物若しくは窒化圭化物からなる膜を成膜してもよい。換言すると、第2のバリアメタル膜2の上および第1の銅配線層3の上に、窒化タンタル、チタンおよびタングステン並びにこれらの窒化物および窒化圭化物よりなる群から選ばれる1の材料からなる膜を形成することができる。
In the present embodiment, the
実施の形態2
図8〜図10を参照して、本発明による半導体装置の製造方法について説明する。尚、トランジスタ、拡散層およびプラグ形成などの通常のLSI製造工程については便宜上割愛し、金属配線の形成工程について説明する。また、図8〜図10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。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. Note that a normal LSI manufacturing process such as transistor, diffusion layer, and plug formation will be omitted for the sake of convenience, and the metal wiring forming process will be described. Moreover, in FIGS. 8-10, it has shown that the part which attached | subjected the same code | symbol is the same.
まず、実施の形態1で説明した図1〜図3と同様にして、第1のバリアメタル膜22を介して第1の銅配線層23が埋め込まれた第1の層間絶縁膜21の上に、拡散防止膜24、第2の層間絶縁膜25および第3の層間絶縁膜32をこの順に形成した後、第2の層間絶縁膜25および第3の層間絶縁膜32を加工することによって、第1の銅配線層23に至る接続孔26と、接続孔26に対応した配線溝27とを形成する。例えば、第2の層間絶縁膜25および拡散防止膜24をドライエッチングして、第1の銅配線層23に至る接続孔26を形成した後、第3の層間絶縁膜32に接続孔26に対応する配線溝27を形成する。尚、第2の層間絶縁膜25と第3の層間絶縁膜32の間に、SiC膜またはSiN膜などのエッチングストッパ膜(図示せず)を設けてもよい。
First, similarly to FIGS. 1 to 3 described in the first embodiment, on the first
第1の層間絶縁膜21、第2の層間絶縁膜25および第3の層間絶縁膜32は、それぞれ同じ膜であってもよいし、異なる膜であってもよい。また、いずれか2つが同じ膜であってもよい。例えば、SiO2膜、SiOC膜、HSQ(水素化シルセスキオキサン)膜、MSQ(メチルシルセスキオキサン)膜、ポーラスHSQ膜およびポーラスMSQ膜などの無機絶縁膜の他に、フッ素を含む有機ポリマー系の絶縁膜なども用いることができる。また、拡散防止膜24としては、例えば、SiN膜、SiC膜またはSiCN膜などを用いることができる。
The first
次いで、実施の形態1で説明した図4と同様にして、接続孔26および配線溝27の内面を被覆するようにして、第3の層間絶縁膜32の上に第2のバリアメタル膜28を形成する。
Next, in the same manner as in FIG. 4 described in the first embodiment, the second
尚、第1のバリアメタル膜22および第2のバリアメタル膜28としては、例えば、窒化タンタル(TaN)膜とタンタル(Ta)膜とをこの順にPVD法により成膜した積層膜を用いることができる。この場合、タンタル膜を形成してから窒化タンタル膜を形成してもよい。
As the first
第2のバリアメタル膜28を成膜した後は、実施の形態1で説明した図5と同様にして、物理的エッチングによって接続孔26の底部に形成された第2のバリアメタル膜28を完全に除去し、さらに第1の銅配線層23を断面で見て凹状に加工して図8の構造とする。エッチング条件は、接続孔26の底部におけるエッチング速度が、他の部分におけるエッチング速度より相対的に速まるように調整する。
After the second
図8に示すように、物理的エッチングを行うことによって、接続孔26の底部だけでなく、配線溝27の底部における第2のバリアメタル膜28も部分的に除去される。これにより、第2の層間絶縁膜25が表面に露出する。
As shown in FIG. 8, by performing physical etching, not only the bottom of the
本実施の形態においては、上記の物理的エッチングの後に、ALD法またはCVD法を用いて窒化タンタル(TaN)膜29を全面に成膜してから、さらに、PVD法により窒化タンタル膜29の上にタンタル(Ta)膜30を成膜することを特徴としている(図9)。
In the present embodiment, after the physical etching described above, a tantalum nitride (TaN)
タンタル膜30を形成した後は、接続孔26と配線溝27に銅層を充填することによって、第2の銅配線層31を形成することができる(図10)。銅層の埋込みは、例えば、スパッタ法によってシード銅としての銅膜(図示せず)を形成した後にめっき法を用いて行うことができる。
After the
本実施の形態によれば、配線溝27の底部で第2のバリアメタル膜28が除去されることにより露出した第2の層間絶縁膜25を、段差部分を含めて窒化タンタル膜29で完全に被覆することができるので、銅が第2の層間絶縁膜25中に拡散するのを抑制して半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。また、窒化タンタル膜29の上にタンタル膜30を設けることによって、シード銅との密着性を高めることができるので、半導体装置の信頼性を一層向上させることが可能となる。
According to the present embodiment, the second
尚、本実施の形態においては、第2のバリアメタル膜28として、PVD法により成膜したタンタル膜と窒化タンタル膜とからなる積層膜を例に挙げたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、第2のバリアメタル膜28として、タンタル膜または窒化タンタル膜からなる単層膜を用いることもできる。また、第2のバリアメタル膜28として、チタン(Ti)およびタングステン(W)等の高融点金属またはこれらの窒化物若しくは窒化圭化物からなる単層膜または積層膜を用いることもできる。第1のバリアメタル膜22についても同様である。
In the present embodiment, as the second
また、本実施の形態においては、第2のバリアメタル膜28を物理的エッチングにより除去した後に、ALD法またはCVD法を用いて窒化タンタル膜29を全面に成膜してから、さらに、PVD法により窒化タンタル膜29の上にタンタル膜30を成膜しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、これらの膜の他に、チタン(Ti)およびタングステン(W)等の高融点金属またはこれらの窒化物若しくは窒化圭化物からなる膜を用いて積層膜とすることもできる。換言すると、第2のバリアメタル膜28の上および第1の銅配線層23の上に、窒化タンタル、窒化チタン膜、タンタル膜、チタン膜およびタングステン膜並びにこれらの窒化物膜および窒化圭化物よりなる群から選ばれる2つ以上の膜により構成される積層膜を形成することができる。但し、何れの場合においても、積層膜を構成する少なくとも1つの膜によって、配線溝27の底部で露出した第2の層間絶縁膜25が完全に被覆されなければならない。このため、積層膜を構成する少なくとも1つの膜が、ALD法またはCVD法によって形成されることが必要となる。
In the present embodiment, after the second
実施の形態3.
図11〜図13を参照して、本発明による半導体装置の製造方法について説明する。尚、トランジスタ、拡散層およびプラグ形成などの通常のLSI製造工程については便宜上割愛し、金属配線の形成工程について説明する。また、図11〜図13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。
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. Note that a normal LSI manufacturing process such as transistor, diffusion layer, and plug formation will be omitted for the sake of convenience, and the metal wiring forming process will be described. Moreover, in FIGS. 11-13, it has shown that the part which attached | subjected the same code | symbol is the same.
まず、実施の形態1で説明した図1〜図3と同様にして、第1のバリアメタル膜42を介して第1の銅配線層43が埋め込まれた第1の層間絶縁膜41の上に、拡散防止膜44、第2の層間絶縁膜45および第3の層間絶縁膜52をこの順に形成した後、第2の層間絶縁膜45と第3の層間絶縁膜52を加工することによって、第1の銅配線層43に至る接続孔46と、接続孔46に対応した配線溝47とを形成する。例えば、第2の層間絶縁膜45および拡散防止膜44をドライエッチングして、第1の銅配線層43に至る接続孔46を形成した後、第3の層間絶縁膜52に接続孔46に対応する配線溝47を形成する。尚、第2の層間絶縁膜45と第3の層間絶縁膜52の間に、SiC膜またはSiN膜などのエッチングストッパ膜(図示せず)を設けてもよい。
First, similarly to FIGS. 1 to 3 described in the first embodiment, on the first
第1の層間絶縁膜41、第2の層間絶縁膜45および第3の層間絶縁膜52は、それぞれ同じ膜であってもよいし、異なる膜であってもよい。また、いずれか2つが同じ膜であってもよい。例えば、SiO2膜、SiOC膜、HSQ(水素化シルセスキオキサン)膜、MSQ(メチルシルセスキオキサン)膜、ポーラスHSQ膜およびポーラスMSQ膜などの無機絶縁膜の他に、フッ素を含む有機ポリマー系の絶縁膜なども用いることができる。また、拡散防止膜44としては、例えば、SiN膜、SiC膜またはSiCN膜などを用いることができる。
The first
次いで、実施の形態1で説明した図4と同様にして、接続孔46および配線溝47の内面を被覆するようにして、第3の層間絶縁膜52の上に第2のバリアメタル膜48を形成する。
Next, as in FIG. 4 described in the first embodiment, the second
尚、第1のバリアメタル膜42および第2のバリアメタル膜48としては、例えば、窒化タンタル(TaN)膜とタンタル(Ta)膜とをこの順にPVD法により成膜した積層膜を用いることができる。この場合、タンタル膜を形成してから窒化タンタル膜を形成してもよい。
As the first
第2のバリアメタル膜48を成膜した後は、実施の形態1で説明した図5と同様にして、物理的エッチングによって接続孔46の底部に形成された第2のバリアメタル膜48を完全に除去し、さらに第1の銅配線層43を断面で見て凹状に加工して図11の構造とする。エッチング条件は、接続孔46の底部におけるエッチング速度が、他の部分におけるエッチング速度より相対的に速まるように調整する。
After the second
図11に示すように、物理的エッチングを行うことによって、接続孔46の底部だけでなく、配線溝47の底部における第2のバリアメタル膜48も部分的に除去される。
As shown in FIG. 11, by performing physical etching, not only the bottom of the
本実施の形態においては、上記の物理的エッチングの後に、PVD法を用いてアルミニウム(Al)膜49を全面に成膜してから、さらに、PVD法によりアルミニウム膜49の上にタンタル(Ta)膜50を成膜することを特徴としている(図12)。ここで、アルミニウム膜49は、本発明における金属含有膜である。
In the present embodiment, after the physical etching, an aluminum (Al)
アルミニウムは延性に優れているので、PVD法による成膜時または成膜後の加熱により軟化して、配線溝47の底部で第2のバリアメタル膜48が局所的に除去されることによって生じた段差を緩和する。したがって、この上に形成するタンタル膜50がPVD法により形成した膜であっても、露出した第2の層間絶縁膜45を段差を含めて完全に被覆することが可能である。すなわち、アルミニウム膜49およびタンタル膜50によって、配線溝47の底部で第2のバリアメタル膜48が除去されることにより露出した第2の層間絶縁膜45を、段差部分を含めてこれらの膜で完全に被覆することができる。
Since aluminum is excellent in ductility, it is generated by softening by heating at the time of film formation by the PVD method or after film formation, and the second
尚、アルミニウムは、層間絶縁膜中における拡散係数が銅より小さいので、アルミニウム膜49が第2の層間絶縁膜45に直接接触していても問題はない。
Since aluminum has a diffusion coefficient smaller than that of copper in the interlayer insulating film, there is no problem even if the
タンタル膜50を形成した後は、接続孔46と配線溝47に銅層を充填することによって、第2の銅配線層51を形成することができる(図13)。銅層の埋込みは、例えば、スパッタ法によってシード銅としての銅膜(図示せず)を形成した後にめっき法を用いて行うことができる。
After the
本実施の形態においては、第1の銅配線層43とアルミニウム膜49とが、接続孔46の底部で直接接触している。このため、第2の銅配線層51を形成する際の熱処理過程で、銅とアルミニウムの合金化が進行し、これによっても半導体装置の信頼性が向上する。また、タンタル膜50はPVD法によって成膜するので、ALD法により成膜する場合に比較してより安定的な成膜が可能となる。
In the present embodiment, the first
尚、本実施の形態においては、第2のバリアメタル膜48として、PVD法により成膜したタンタル膜と窒化タンタル膜とからなる積層膜を例に挙げたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、第2のバリアメタル膜48として、タンタル膜または窒化タンタル膜からなる単層膜を用いることもできる。また、第2のバリアメタル膜48として、チタン(Ti)およびタングステン(W)等の高融点金属またはこれらの窒化物若しくは窒化圭化物からなる単層膜または積層膜を用いることもできる。また、第1のバリアメタル膜42についても同様である。
In the present embodiment, the second
また、本実施の形態においては、第2のバリアメタル膜48をエッチングにより除去した後に、PVD法を用いてアルミニウム膜49を全面に成膜してから、さらに、PVD法によりアルミニウム膜49の上にタンタル膜50を成膜しているが、本発明はこれに限られるものではない。
In the present embodiment, after the second
本発明においては、金属含有膜に含まれる金属が、延性が高くて第2の層間絶縁膜45中での拡散係数が銅より小さい金属であれば、アルミニウム膜49以外の金属含有膜も用いることができる。また、タンタル膜50に代えて、チタン(Ti)およびタングステン(W)等の高融点金属またはこれらの窒化物若しくは窒化圭化物からなる膜を用いることもできる。換言すると、金属含有膜の上に、窒化タンタル、チタンおよびタングステン並びにこれらの窒化物および窒化圭化物よりなる群から選ばれる1の材料からなる膜を形成することができる。
In the present invention, if the metal contained in the metal-containing film is a metal having high ductility and a diffusion coefficient in the second
実施の形態4.
図14〜図16を参照して、本発明による半導体装置の製造方法について説明する。尚、トランジスタ、拡散層およびプラグ形成などの通常のLSI製造工程については便宜上割愛し、金属配線の形成工程について説明する。また、図14〜図16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。
With reference to FIGS. 14-16, the manufacturing method of the semiconductor device by this invention is demonstrated. Note that a normal LSI manufacturing process such as transistor, diffusion layer, and plug formation will be omitted for the sake of convenience, and the metal wiring forming process will be described. Moreover, in FIGS. 14-16, the part which attached | subjected the same code | symbol has shown that it is the same.
まず、実施の形態1で説明した図1〜図3と同様にして、第1のバリアメタル膜62を介して第1の銅配線層63が埋め込まれた第1の層間絶縁膜61の上に、拡散防止膜64、第2の層間絶縁膜65および第3の層間絶縁膜73をこの順に形成した後、第2の層間絶縁膜65と第3の層間絶縁膜73を加工することによって、第1の銅配線層63に至る接続孔66と、接続孔66に対応した配線溝67とを形成する。例えば、第2の層間絶縁膜65および拡散防止膜64をドライエッチングして、第1の銅配線層63に至る接続孔66を形成した後、第3の層間絶縁73に接続孔66に対応する配線溝67を形成する。尚、第2の層間絶縁膜65と第3の層間絶縁膜73の間に、SiC膜またはSiN膜などのエッチングストッパ膜(図示せず)を設けてもよい。
First, similarly to FIGS. 1 to 3 described in the first embodiment, on the first
第1の層間絶縁膜61、第2の層間絶縁膜65および第3の層間絶縁膜73は、それぞれ同じ膜であってもよいし、異なる膜であってもよい。また、いずれか2つが同じ膜であってもよい。例えば、SiO2膜、SiOC膜、HSQ(水素化シルセスキオキサン)膜、MSQ(メチルシルセスキオキサン)膜、ポーラスHSQ膜およびポーラスMSQ膜などの無機絶縁膜の他に、フッ素を含む有機ポリマー系の絶縁膜なども用いることができる。また、拡散防止膜64としては、例えば、SiN膜、SiC膜またはSiCN膜などを用いることができる。
The first
次いで、実施の形態1で説明した図4と同様にして、接続孔66および配線溝67の内面を被覆するようにして、第3の層間絶縁膜73の上に第2のバリアメタル膜68を形成する。
Next, in the same manner as in FIG. 4 described in the first embodiment, the second
尚、第1のバリアメタル膜62および第2のバリアメタル膜68としては、例えば、窒化タンタル(TaN)膜とタンタル(Ta)膜とをこの順にPVD法により成膜した積層膜を用いることができる。この場合、タンタル膜を形成してから窒化タンタル膜を形成してもよい。
As the first
第2のバリアメタル膜68を形成した後は、実施の形態1で説明した図5と同様にして、物理的エッチングによって接続孔66の底部に形成された第2のバリアメタル膜68を完全に除去し、さらに第1の銅配線層を断面で見て凹状に加工して図14の構造とする。エッチング条件は、接続孔66の底部におけるエッチング速度が、他の部分におけるエッチング速度より相対的に速まるように調整する。
After the formation of the second
図14に示すように、物理的エッチングを行うことによって、接続孔66の底部だけでなく、配線溝67の底部における第2のバリアメタル膜68も部分的に除去される。これにより、第2の層間絶縁膜65が表面に露出する。
As shown in FIG. 14, by performing physical etching, not only the bottom of the
本実施の形態においては、上記の物理的エッチングの後に、PVD法を用いてアルミニウム(Al)膜69を全面に成膜してから、PVD法により窒化タンタル(TaN)膜70を成膜し、さらに、PVD法によりタンタル(Ta)膜71を成膜することを特徴としている(図15)。ここで、アルミニウム膜69は、本発明における金属含有膜である。
In the present embodiment, after the physical etching, an aluminum (Al)
実施の形態3で述べたように、アルミニウム膜69は、PVD法による成膜時または成膜後の加熱により軟化して、配線溝67の底部で第2のバリアメタル膜68が局所的に除去されることによって生じた段差を緩和する。したがって、この上に形成する窒化タンタル膜70がPVD法により形成した膜であっても、露出した第2の層間絶縁膜65を段差を含めて完全に被覆することが可能である。さらに、本実施の形態においては、窒化タンタル膜70の上にさらにタンタル膜71を形成するので、実施の形態3に比較してより高い段差被覆性が得られるとともに、後述するシード銅との密着性を向上させることもできる。
As described in the third embodiment, the
尚、アルミニウムは、層間絶縁膜中における拡散係数が銅より小さいので、アルミニウム膜69が第2の層間絶縁膜65に直接接触していても問題はない。
Since aluminum has a diffusion coefficient smaller than that of copper in the interlayer insulating film, there is no problem even if the
タンタル膜71を形成した後は、接続孔66と配線溝67に銅層を充填することによって、第2の銅配線層72を形成することができる(図16)。銅層の埋込みは、例えば、スパッタ法によってシード銅としての銅膜(図示せず)を形成した後にめっき法を用いて行うことができる。
After the
本実施の形態においては、第1銅配線層63とアルミニウム膜69とが、接続孔66の底部で直接接触している。このため、第2の銅配線層72を形成する際の熱処理過程で、銅とアルミニウムの合金化が進行し、これによっても半導体装置の信頼性が向上する。また、窒化タンタル膜70およびタンタル膜71はPVD法によって成膜するので、ALD法により成膜する場合に比較してより安定的な成膜が可能となる。
In the present embodiment, the first
また、窒化タンタル膜70の上にタンタル膜71を設けることによって、シード銅との密着性を高めることができるので、半導体装置の信頼性を一層向上させることが可能となる。
Further, by providing the
尚、本実施の形態においては、第2のバリアメタル膜68として、PVD法により成膜したタンタル膜と窒化タンタル膜とからなる積層膜を例に挙げたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、第2のバリアメタル膜68として、タンタル膜または窒化タンタル膜からなる単層膜を用いることもできる。また、第2のバリアメタル膜68として、チタン(Ti)およびタングステン(W)等の高融点金属またはこれらの窒化物若しくは窒化圭化物からなる単層膜または積層膜を用いることもできる。また、第1のバリアメタル膜62についても同様である。
In the present embodiment, as the second
また、本実施の形態においては、第2のバリアメタル膜68を物理的エッチングにより除去した後に、PVD法を用いてアルミニウム膜69を全面に成膜してから、PVD法により窒化タンタル膜70を成膜し、さらに、PVD法によりタンタル膜71を成膜している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。
In the present embodiment, after the second
すなわち、金属含有膜中に含まれる金属が、延性が高くて第2の層間絶縁膜65中での拡散係数が銅より小さい金属であれば、アルミニウム膜69以外の金属含有膜も用いることができる。
That is, if the metal contained in the metal-containing film has high ductility and the diffusion coefficient in the second
また、窒化タンタル膜70やタンタル膜71の他に、チタン(Ti)およびタングステン(W)等の高融点金属またはこれらの窒化物若しくは窒化圭化物からなる膜を用いて積層膜とすることもできる。換言すると、金属含有膜の上に、窒化タンタル膜、タンタル膜、チタン膜およびタングステン膜並びにこれらの窒化物膜および窒化圭化物膜よりなる群から選ばれる2つ以上の膜により構成される積層膜を形成することができる。但し、何れの場合においても、積層膜を構成する少なくとも1つの膜によって、配線溝67の底部で露出した第2の層間絶縁膜65が完全に被覆されなければならない。このため、積層膜を構成する少なくとも1つの膜が、ALD法またはCVD法によって形成されることが必要となる。
In addition to the
1,21,41,61 第1の層間絶縁膜
2,22,42,62 第1のバリアメタル膜
3,23,43,63 第1の銅配線層
4,24,44,64 拡散防止膜
5,25,45,65 第2の層間絶縁膜
6,26,46,66 接続孔
7,27,47,67 配線溝
8,28,48,68 第2のバリアメタル膜
9,29,70 窒化タンタル膜
10,31,51,72 第2の銅配線層
30,50,71 タンタル膜
49,69 アルミニウム膜
11,32,52,73 第3の層間絶縁膜
1, 2, 41, 61 First
Claims (10)
前記多層配線構造は、第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜に形成された第1の銅配線層と、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された拡散防止膜と、
前記拡散防止膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜に形成された接続孔を介して前記第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線層と、
前記接続孔の側壁部および前記第2の銅配線層の内面に形成されたバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜の上および前記第1の銅配線層の上に形成され、前記接続孔の底部以外の部分から露出した前記第2の層間絶縁膜を被覆する金属含有膜と、
前記金属含有膜の上に形成されて、タンタル、チタンおよびタングステン並びにこれらの窒化物および窒化圭化物よりなる群から選ばれる1の材料からなる膜とを有し、
前記金属含有膜に含まれる金属は、延性が高くて前記第2の層間絶縁膜中での拡散係数が銅より小さい金属であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a multilayer wiring structure,
The multilayer wiring structure includes a first interlayer insulating film,
A first copper wiring layer formed on the first interlayer insulating film;
A diffusion barrier film formed on the first interlayer insulating film;
A second interlayer insulating film formed on the diffusion barrier film;
A second copper wiring layer electrically connected to the first copper wiring layer through a connection hole formed in the second interlayer insulating film;
A barrier metal film formed on the side wall of the connection hole and the inner surface of the second copper wiring layer;
A metal-containing film that is formed on the barrier metal film and on the first copper wiring layer and covers the second interlayer insulating film exposed from a portion other than the bottom of the connection hole;
A film made of one material selected from the group consisting of tantalum, titanium and tungsten, and nitrides and nitrides thereof, formed on the metal-containing film,
The metal contained in the metal containing film is a metal having high ductility and a diffusion coefficient smaller than copper in the second interlayer insulating film.
前記多層配線構造は、第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜に形成された第1の銅配線層と、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された拡散防止膜と、
前記拡散防止膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜に形成された接続孔を介して前記第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線層と、
前記接続孔の側壁部および前記第2の銅配線層の内面に形成されたバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜の上および前記第1の銅配線層の上に形成され、前記接続孔の底部以外の部分から露出した前記第2の層間絶縁膜を被覆する金属含有膜と、
前記金属含有膜の上に形成されて、窒化タンタル膜、タンタル膜、チタン膜およびタングステン膜並びにこれらの窒化物膜および窒化圭化物膜よりなる群から選ばれる2つ以上の膜により構成される積層膜とを有し、
前記金属含有膜に含まれる金属は、延性が高くて前記第2の層間絶縁膜中での拡散係数が銅より小さい金属であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a multilayer wiring structure,
The multilayer wiring structure includes a first interlayer insulating film,
A first copper wiring layer formed on the first interlayer insulating film;
A diffusion barrier film formed on the first interlayer insulating film;
A second interlayer insulating film formed on the diffusion barrier film;
A second copper wiring layer electrically connected to the first copper wiring layer through a connection hole formed in the second interlayer insulating film;
A barrier metal film formed on the side wall of the connection hole and the inner surface of the second copper wiring layer;
A metal-containing film that is formed on the barrier metal film and on the first copper wiring layer and covers the second interlayer insulating film exposed from a portion other than the bottom of the connection hole;
A laminate formed on the metal-containing film and composed of two or more films selected from the group consisting of a tantalum nitride film, a tantalum film, a titanium film and a tungsten film, and a nitride film and a nitride nitride film thereof. And having a membrane
The metal contained in the metal containing film is a metal having high ductility and a diffusion coefficient smaller than copper in the second interlayer insulating film.
第1の層間絶縁膜に第1の銅配線層を形成する工程と、
前記第1の層間絶縁膜および前記第1の銅配線層の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第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜の上に第3の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜および前記拡散防止膜を加工して、前記第1の銅配線層に至る接続孔を形成する工程と、
前記第3の層間絶縁膜に前記接続孔に対応する配線溝を形成する工程と、
前記接続孔および前記配線溝の内面を被覆するようにして前記第3の層間絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する工程と、
物理的エッチングによって、前記接続孔の底部における前記バリアメタル膜を除去し、さらに前記第1の銅配線層の上面を断面で見て凹状に加工する工程と、
ALD法またはCVD法により、前記接続孔の底部以外の部分から露出した第2の層間絶縁膜を被覆するようにして、前記バリアメタル膜の上および前記第1の銅配線層の上に、窒化タンタル、チタンおよびタングステン並びにこれらの窒化物および窒化圭化物よりなる群から選ばれる1の材料からなる膜を形成する工程と、
前記接続孔および前記配線溝に銅層を埋め込んで、前記第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線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。 A method of manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure,
Forming a first copper wiring layer on the first interlayer insulating film;
Forming a diffusion barrier film on the first interlayer insulating film and the first copper wiring layer;
Forming a second interlayer insulating film on the diffusion barrier film;
Forming a third interlayer insulating film on the second interlayer insulating film;
Processing the second interlayer insulating film and the diffusion barrier film to form a connection hole reaching the first copper wiring layer;
Forming a wiring groove corresponding to the connection hole in the third interlayer insulating film;
Forming a barrier metal film on the third interlayer insulating film so as to cover the inner surface of the connection hole and the wiring groove;
Removing the barrier metal film at the bottom of the connection hole by physical etching, and further processing the upper surface of the first copper wiring layer into a concave shape when viewed in cross section;
Nitrid on the barrier metal film and on the first copper wiring layer so as to cover the second interlayer insulating film exposed from the portion other than the bottom of the connection hole by ALD or CVD. Forming a film made of one material selected from the group consisting of tantalum, titanium and tungsten and nitrides and nitrides thereof;
And a step of forming a second copper wiring layer that is electrically connected to the first copper wiring layer by embedding a copper layer in the connection hole and the wiring groove. .
第1の層間絶縁膜に第1の銅配線層を形成する工程と、
前記第1の層間絶縁膜および前記第1の銅配線層の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第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜の上に第3の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜および前記拡散防止膜を加工して、前記第1の銅配線層に至る接続孔を形成する工程と、
前記第3の層間絶縁膜に前記接続孔に対応する配線溝を形成する工程と、
前記接続孔および前記配線溝の内面を被覆するようにして前記第3の層間絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する工程と、
物理的エッチングによって、前記接続孔の底部における前記第2のバリアメタル膜を除去し、さらに前記第1の銅配線層の上面を断面で見て凹状に加工する工程と、
前記接続孔の底部以外の部分から露出した前記第2の層間絶縁膜を被覆するようにして、前記バリアメタル膜の上および前記第1の銅配線層の上に、窒化チタン膜、タンタル膜、チタン膜およびタングステン膜並びにこれらの窒化物膜および窒化圭化物よりなる群から選ばれる2つ以上の膜により構成される積層膜を形成する工程と、
前記接続孔および前記配線溝に銅層を埋め込んで、前記第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線層を形成する工程とを有し、
前記積層膜を構成する少なくとも1つの膜は、ALD法またはCVD法によって形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure,
Forming a first copper wiring layer on the first interlayer insulating film;
Forming a diffusion barrier film on the first interlayer insulating film and the first copper wiring layer;
Forming a second interlayer insulating film on the diffusion barrier film;
Forming a third interlayer insulating film on the second interlayer insulating film;
Processing the second interlayer insulating film and the diffusion barrier film to form a connection hole reaching the first copper wiring layer;
Forming a wiring groove corresponding to the connection hole in the third interlayer insulating film;
Forming a barrier metal film on the third interlayer insulating film so as to cover the inner surface of the connection hole and the wiring groove;
Removing the second barrier metal film at the bottom of the connection hole by physical etching and further processing the upper surface of the first copper wiring layer into a concave shape when viewed in cross section;
A titanium nitride film, a tantalum film, on the barrier metal film and on the first copper wiring layer so as to cover the second interlayer insulating film exposed from a portion other than the bottom of the connection hole Forming a laminated film composed of two or more films selected from the group consisting of a titanium film and a tungsten film and a nitride film and a nitride nitride thereof;
Burying a copper layer in the connection hole and the wiring groove to form a second copper wiring layer electrically connected to the first copper wiring layer,
At least one film constituting the laminated film is formed by an ALD method or a CVD method.
第1の層間絶縁膜に第1の銅配線層を形成する工程と、
前記第1の層間絶縁膜および前記第1の銅配線層の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第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜の上に第3の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜および前記拡散防止膜を加工して、前記第1の銅配線層に至る接続孔を形成する工程と、
前記第3の層間絶縁膜に前記接続孔に対応する配線溝を形成する工程と、
前記接続孔および前記配線溝の内面を被覆するようにして前記第2の層間絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する工程と、
物理的エッチングによって、前記接続孔の底部における前記第2のバリアメタル膜を除去し、さらに前記第1の銅配線層の上面を断面で見て凹状に加工する工程と、
前記接続孔の底部以外の部分から露出した第2の層間絶縁膜を被覆するようにして、前記バリアメタル膜の上および前記第1の銅配線層の上に金属含有膜を形成する工程と、
前記金属含有膜の上に、タンタル、チタンおよびタングステン並びにこれらの窒化物および窒化圭化物よりなる群から選ばれる1の材料からなる膜を形成する工程と、
前記接続孔および前記配線溝に銅層を埋め込んで、前記第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線層を形成する工程とを有し、
前記金属含有膜に含まれる金属は、延性が高くて前記第2の層間絶縁膜中での拡散係数が銅より小さい金属であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure,
Forming a first copper wiring layer on the first interlayer insulating film;
Forming a diffusion barrier film on the first interlayer insulating film and the first copper wiring layer;
Forming a second interlayer insulating film on the diffusion barrier film;
Forming a third interlayer insulating film on the second interlayer insulating film;
Processing the second interlayer insulating film and the diffusion barrier film to form a connection hole reaching the first copper wiring layer;
Forming a wiring groove corresponding to the connection hole in the third interlayer insulating film;
Forming a barrier metal film on the second interlayer insulating film so as to cover the inner surface of the connection hole and the wiring groove;
Removing the second barrier metal film at the bottom of the connection hole by physical etching and further processing the upper surface of the first copper wiring layer into a concave shape when viewed in cross section;
Forming a metal-containing film on the barrier metal film and on the first copper wiring layer so as to cover the second interlayer insulating film exposed from a portion other than the bottom of the connection hole;
Forming a film made of one material selected from the group consisting of tantalum, titanium and tungsten, and nitrides and nitrides thereof on the metal-containing film;
Burying a copper layer in the connection hole and the wiring groove to form a second copper wiring layer electrically connected to the first copper wiring layer,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the metal contained in the metal-containing film is a metal having high ductility and a diffusion coefficient smaller than copper in the second interlayer insulating film.
第1の層間絶縁膜に第1の銅配線層を形成する工程と、
前記第1の層間絶縁膜および前記第1の銅配線層の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第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜の上に第3の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜および前記拡散防止膜を加工して、前記第1の銅配線層に至る接続孔を形成する工程と、
前記第3の層間絶縁膜に前記接続孔に対応する配線溝を形成する工程と、
前記接続孔および前記配線溝の内面を被覆するようにして前記第3の層間絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する工程と、
物理的エッチングによって、前記接続孔の底部における前記第2のバリアメタル膜を除去し、さらに前記第1の銅配線層の上面を断面で見て凹状に加工する工程と、
前記接続孔の底部以外の部分から露出した前記第2の層間絶縁膜を被覆するようにして、前記バリアメタル膜の上および前記第1の銅配線層の上に金属含有膜を形成する工程と、
前記金属含有膜の上に、窒化タンタル膜、タンタル膜、チタン膜およびタングステン膜並びにこれらの窒化物膜および窒化圭化物膜よりなる群から選ばれる2つ以上の膜により構成される積層膜を形成する工程と、
前記接続孔および前記配線溝に銅層を埋め込んで、前記第1の銅配線層に電気的に接続する第2の銅配線層を形成する工程とを有し、
前記金属含有膜に含まれる金属は、延性が高くて前記第2の層間絶縁膜中での拡散係数が銅より小さい金属であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure,
Forming a first copper wiring layer on the first interlayer insulating film;
Forming a diffusion barrier film on the first interlayer insulating film and the first copper wiring layer;
Forming a second interlayer insulating film on the diffusion barrier film;
Forming a third interlayer insulating film on the second interlayer insulating film;
Processing the second interlayer insulating film and the diffusion barrier film to form a connection hole reaching the first copper wiring layer;
Forming a wiring groove corresponding to the connection hole in the third interlayer insulating film;
Forming a barrier metal film on the third interlayer insulating film so as to cover the inner surface of the connection hole and the wiring groove;
Removing the second barrier metal film at the bottom of the connection hole by physical etching and further processing the upper surface of the first copper wiring layer into a concave shape when viewed in cross section;
Forming a metal-containing film on the barrier metal film and on the first copper wiring layer so as to cover the second interlayer insulating film exposed from a portion other than the bottom of the connection hole; ,
On the metal-containing film, a laminated film composed of two or more films selected from the group consisting of a tantalum nitride film, a tantalum film, a titanium film, a tungsten film, and these nitride films and nitride nitride films is formed. And a process of
Burying a copper layer in the connection hole and the wiring groove to form a second copper wiring layer electrically connected to the first copper wiring layer,
The metal contained in the metal-containing film is a metal having a high ductility and a diffusion coefficient in the second interlayer insulating film smaller than that of copper.
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