JP2006253460A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は銅配線を有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having copper wiring and a method for manufacturing the same.
近年、半導体集積回路の高集積化とチップサイズの縮小化に伴い、配線の微細化及び多層化が進められている。配線間ピッチが狭小化することにより、配線抵抗の上昇及び配線間容量の増加によるRC遅延が無視できない状況となってきている。このため、半導体集積回路の微細化を進める上で、配線に生じる電気寄生抵抗を低減することが必要とされている。配線の電気寄生抵抗を低減させるためには、配線材料の比抵抗を低減させることが必要である。 In recent years, along with the high integration of semiconductor integrated circuits and the reduction in chip size, miniaturization and multilayering of wiring have been promoted. As the pitch between wirings is narrowed, the RC delay due to an increase in wiring resistance and an increase in capacitance between wirings cannot be ignored. For this reason, it is necessary to reduce the electric parasitic resistance generated in the wiring when the miniaturization of the semiconductor integrated circuit is advanced. In order to reduce the electrical parasitic resistance of the wiring, it is necessary to reduce the specific resistance of the wiring material.
ゲート長0.13μmデバイスの配線については、配線材料の比抵抗を低減させるために、Al(アルミニウム)からCu(銅)へ変更されてきた。ダマシン法によるCu配線を採用することによって、配線の比抵抗は従来の2/3程度まで低減された。しかしながら、Cu配線においては、SiO2膜(シリコン酸化膜)をはじめとする絶縁膜中へのCu原子の拡散が速いため、Cu原子がトランジスタ中へ侵入してトランジスタの破壊を引き起こしていた。また、Cu原子が配線間へ拡散して配線間に予期せぬ架橋構造が形成された場合には、配線間における絶縁耐圧が劣化する等の不良現象が発生するため、配線用のCu膜の周囲にCu原子の拡散を防止するバリア膜を設ける必要があった。現在、配線用Cu膜の周辺を覆うために、Cu膜の底面及び側面には、一般に、WN(窒化タングステン)、TaN(窒化タンタル)またはTiN(窒化チタン)等からなる導電性バリア膜(以下、バリアメタル膜とする)が用いられていると共に、Cu膜の上面には、SiN(窒化シリコン)又はSiC(炭化シリコン)等からなる絶縁性バリア膜が用いられている(例えば、特許文献1参照)。 For devices with a gate length of 0.13 μm, Al (aluminum) has been changed to Cu (copper) in order to reduce the specific resistance of the wiring material. By adopting Cu wiring by the damascene method, the specific resistance of the wiring has been reduced to about 2/3 of the conventional one. However, in Cu wiring, Cu atoms diffuse quickly into an insulating film such as a SiO 2 film (silicon oxide film), so that Cu atoms enter the transistor and cause breakdown of the transistor. In addition, when Cu atoms diffuse between the wirings and an unexpected cross-linking structure is formed between the wirings, a defective phenomenon such as deterioration of dielectric strength between the wirings occurs. It was necessary to provide a barrier film for preventing the diffusion of Cu atoms around. Currently, a conductive barrier film (hereinafter referred to as WN (tungsten nitride), TaN (tantalum nitride), TiN (titanium nitride) or the like is generally formed on the bottom and side surfaces of the Cu film to cover the periphery of the wiring Cu film. In addition, an insulating barrier film made of SiN (silicon nitride) or SiC (silicon carbide) is used on the upper surface of the Cu film (for example, Patent Document 1). reference).
一般に、Cu配線は、Al配線と比べてエッチング加工が困難であるため、製造方法としてはダマシン法が用いられている。すなわち、堆積した層間絶縁膜に配線パターンを持つ配線溝を形成した後、その配線溝の底面及び側面をバリアメタル膜で覆い、続いて、電解メッキ法により配線溝をCu膜で埋め込み、その後、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法によりCu膜及びバリアメタル膜を研磨して平坦化し、Cu配線を完成するものである。 In general, since Cu wiring is difficult to etch compared with Al wiring, the damascene method is used as a manufacturing method. That is, after forming a wiring groove having a wiring pattern in the deposited interlayer insulating film, the bottom and side surfaces of the wiring groove are covered with a barrier metal film, and subsequently, the wiring groove is embedded with a Cu film by electrolytic plating, The Cu film and the barrier metal film are polished and planarized by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method to complete the Cu wiring.
以下、従来の銅配線を有する半導体装置の製造方法について説明する。 Hereinafter, a conventional method for manufacturing a semiconductor device having a copper wiring will be described.
図5(a)〜図6(b)は、従来の銅配線を有する半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。図5(a)〜図6(b)において、左側は配線間隔の狭い領域を示し、右側は配線間隔の広い領域を示している。 FIG. 5A to FIG. 6B are cross-sectional views showing respective steps of a conventional method for manufacturing a semiconductor device having copper wiring. In FIGS. 5A to 6B, the left side shows a region with a narrow wiring interval, and the right side shows a region with a wide wiring interval.
まず、図5(a)に示すように、半導体基板501上に層間絶縁膜502を形成する。
First, an interlayer
次に、図5(b)に示すように、層間絶縁膜502中に配線溝503を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, a
次に、図5(c)に示すように、層間絶縁膜502上に配線溝503を覆うようにバリアメタル膜504aを堆積し、続けて、バリアメタル膜504a上に配線溝503を埋めるようにCu膜505aを形成する。
Next, as shown in FIG. 5C, a
次に、図5(d)に示すように、CMP法により、配線溝503からはみ出したCu膜505a及びバリアメタル膜504aを研磨して、配線溝503以外の部分に層間絶縁膜502を露出させ、配線溝503内にCu膜505及びバリアメタル膜504を残して、バリアメタル膜504及びCu膜505からなる金属配線506を形成する。このとき、研磨により層間絶縁膜502が露出した後であっても、層間絶縁膜502上からバリアメタル膜504がほぼ完全に除去されるまで研磨を続ける(オーバーエッチング)。そのため、配線溝503内のCu膜505の表面は陥没し、くぼみAができる。
Next, as shown in FIG. 5D, the
次に、図5(e)に示すように、層間絶縁膜502上に配線溝503内のCu膜505上のくぼみAを埋めるようにキャップ膜507aを形成する。
Next, as shown in FIG. 5E, a
次に、図6(a)に示すように、配線溝503からはみ出したキャップ膜507aをエッチバックして、配線溝503以外の部分に層間絶縁膜502を露出させ、配線溝503内にキャップ膜507を残す。これにより、Cu膜505は、バリアメタル膜504及びキャップ膜507により囲まれる。
Next, as shown in FIG. 6A, the
次に、図6(b)に示すように、半導体基板501の全面に絶縁膜508を堆積する。
しかしながら、従来の銅配線を有する半導体装置及びその製造方法には、次のような問題がある。 However, the conventional semiconductor device having a copper wiring and its manufacturing method have the following problems.
従来の銅配線を有する半導体装置の製造方法では、図5(d)に示す工程において、Cu膜505を除去するための第1研磨と、バリアメタル膜504を除去するための第2研磨と、その後のオーバー研磨とを備えている。そして、第2の研磨は硬い膜であるバリアメタル膜504を研磨するために大量の砥粒を含んでおり、その後のオーバー研磨も第2の研磨と同じ研磨剤を用いて行われる。ここで、第2の研磨及びオーバー研磨では、配線溝503の上部にCu膜505が露出している。そのため、第2の研磨及びオーバー研磨において、バリアメタル膜504よりもやわらかいCu膜505にスクラッチが入り、金属くずが発生する。この金属くずが研磨により擦られて、層間絶縁膜502上に延びて、隣り合う配線間に架橋構造を形成した場合には、配線間ショートを発生させる。
In the conventional method for manufacturing a semiconductor device having a copper wiring, in the step shown in FIG. 5D, a first polishing for removing the
また、第1研磨、第2研磨に引き続きオーバー研磨をすることによって、いわゆる、ディッシングが発生する。ディッシングが生じると、配線間隔の狭い領域ではCu膜505のリセスが大きくなり、配線間隔の広い領域ではCu膜505のリセスが小さくなる。これにより、配線間隔の広い領域において、配線溝503内のCu膜505上のくぼみAが浅くなり、キャップ膜507の埋め込みが十分でなくなる。このため、配線間隔の広い領域において、Cu膜505がキャップ膜507により確実に覆われないこととなり、Cu膜505からのCu原子の浸み出しが起こりやすくなる。
In addition, so-called dishing occurs by over-polishing subsequent to the first polishing and the second polishing. When dishing occurs, the recess of the
また、図6(b)に示す工程において、層間絶縁膜502と絶縁膜508との界面は、バリアメタル膜504の側壁の上端とつら位置にある。ここで、層間絶縁膜502と絶縁膜508との界面は、Cu膜505のCu原子が浸み出した場合にはCu原子の主な拡散経路となる。そのため、Cu膜505を囲むバリアメタル膜504とキャップ膜507との接続部からCu原子が浸み出した場合には、Cu原子がそのまま拡散経路に侵入していくこととなり、Cu原子の拡散が起こりやすくなる。
In the step shown in FIG. 6B, the interface between the
本発明は、架橋構造やCu原子の浸み出し、拡散による配線間ショート等の配線不良の発生を防止し、信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device and a method for manufacturing the same by preventing occurrence of wiring defects such as a short circuit between wirings due to cross-linking structure, Cu atom leaching, and diffusion.
本発明に係る半導体装置は、半導体基板の上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された配線溝と、配線溝を覆うように形成された導電性バリア膜と、導電性バリア膜の上から配線溝を埋めるように形成された金属膜と、配線溝中の金属膜の上に形成されたキャップ膜とを備え、絶縁膜は、半導体基板の上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に形成された第1の拡散防止絶縁膜とを有し、キャップ膜と導電性バリア膜との接続部は、層間絶縁膜と拡散防止膜との界面よりも上位置にある。 A semiconductor device according to the present invention includes an insulating film formed on a semiconductor substrate, a wiring groove formed in the insulating film, a conductive barrier film formed so as to cover the wiring groove, and a conductive barrier film A metal film formed so as to fill the wiring trench from above and a cap film formed on the metal film in the wiring trench, and the insulating film includes an interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate, And a first diffusion preventing insulating film formed on the interlayer insulating film, and a connecting portion between the cap film and the conductive barrier film is located above the interface between the interlayer insulating film and the diffusion preventing film. .
これにより、キャップ膜と導電性バリア膜との接続部が、層間絶縁膜と拡散防止膜との界面に直結することはないので、拡散経路となる層間絶縁膜と拡散防止膜との界面に金属原子が侵入するのを防ぐことができ、金属原子の層間絶縁膜への浸み出しを防止することができる。 As a result, the connecting portion between the cap film and the conductive barrier film is not directly connected to the interface between the interlayer insulating film and the diffusion prevention film. Atoms can be prevented from entering, and leaching of metal atoms into the interlayer insulating film can be prevented.
また、本発明に係る半導体装置では、キャップ膜の上端部は、導電性バリア膜の上端部よりも下位置にある。 In the semiconductor device according to the present invention, the upper end portion of the cap film is located below the upper end portion of the conductive barrier film.
これにより、配線溝にキャップ膜が十分に埋め込まれるため、キャップ膜によって金属膜を確実に覆うことができる。 Thereby, since the cap film is sufficiently embedded in the wiring groove, the metal film can be reliably covered with the cap film.
また、本発明に係る半導体装置では、拡散防止絶縁膜は、配線溝中に形成された金属膜と導電性バリア膜とキャップ膜からなる金属配線上に、金属配線間の層間絶縁膜上を埋めるように形成されている。 Further, in the semiconductor device according to the present invention, the diffusion preventing insulating film fills the interlayer insulating film between the metal wirings on the metal wiring formed of the metal film, the conductive barrier film, and the cap film formed in the wiring trench. It is formed as follows.
これにより、キャップ膜と導電性バリア膜との接続部が拡散防止膜により覆われ、キャップ膜と導電性バリア膜との接続部が、層間絶縁膜と拡散防止膜との界面に直結することはないので、拡散経路となる層間絶縁膜と拡散防止膜との界面に金属原子が侵入するのを防ぐことができ、金属原子の層間絶縁膜への浸み出しを防止することができる。 As a result, the connection between the cap film and the conductive barrier film is covered with the diffusion prevention film, and the connection between the cap film and the conductive barrier film is directly connected to the interface between the interlayer insulating film and the diffusion prevention film. Therefore, it is possible to prevent metal atoms from entering the interface between the interlayer insulating film serving as a diffusion path and the diffusion preventing film, and to prevent the metal atoms from seeping into the interlayer insulating film.
また、本発明に係る半導体装置では、拡散防止絶縁膜は、少なくとも、SiC、SiN、SiCN、SiCOのいずれか一つを有する。 In the semiconductor device according to the present invention, the diffusion prevention insulating film includes at least one of SiC, SiN, SiCN, and SiCO.
また、本発明に係る半導体装置では、導電性バリア膜は、Ta、TaN、Ta及びTaNの積層、Ti、TiN、又は、Ti及びTiNの積層のいずれか一つからなる。 In the semiconductor device according to the present invention, the conductive barrier film is made of any one of Ta, TaN, Ta and TaN, Ti, TiN, and Ti and TiN.
また、本発明に係る半導体装置では、キャップ膜は、W、Ta、TaN、Ta及びTaNの積層、Ti、TiN、又は、Ti、TiNの積層、Co合金、Ni合金のいずれか一つからなる。 In the semiconductor device according to the present invention, the cap film is made of any one of W, Ta, TaN, Ta and TaN, Ti, TiN, Ti, TiN, Co alloy, and Ni alloy. .
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程と(a)、絶縁膜中に配線溝を形成する工程と(b)、絶縁膜上に配線溝を覆うように導電性バリア膜を形成する工程と(c)、導電性バリア膜を研磨して配線溝の底面及び側面に導電性バリア膜を残し、配線溝以外の部分に絶縁膜を露出させる工程(d)と、工程(d)の後に、絶縁膜上に配線溝を埋め込むように金属膜を形成する工程(e)と、金属膜を研磨して配線溝に金属膜を残し、配線溝以外の部分に絶縁膜を露出させる工程(f)とを有する。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes: (a) forming an insulating film on a semiconductor substrate; (b) forming a wiring groove in the insulating film; and (b) covering the wiring groove on the insulating film. A step of forming a conductive barrier film as described above (c), a step of polishing the conductive barrier film to leave the conductive barrier film on the bottom and side surfaces of the wiring groove, and exposing the insulating film to portions other than the wiring groove ( d) and a step (e) of forming a metal film so as to embed the wiring groove on the insulating film after the step (d), and polishing the metal film to leave the metal film in the wiring groove, And a step (f) of exposing the insulating film in the portion.
これにより、導電性バリア膜の研磨工程(d)において、金属膜が堆積されていないので、導電性バリア膜の研磨により金属膜にスクラッチが発生することを回避することができ、配線間ショートの発生を防ぐことができる。 Accordingly, since no metal film is deposited in the polishing step (d) of the conductive barrier film, it is possible to avoid the occurrence of scratches on the metal film due to the polishing of the conductive barrier film. Occurrence can be prevented.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法では、工程(a)は、半導体基板の上に層間絶縁膜を形成する工程(a1)と、層間絶縁膜の上に第1の拡散防止絶縁膜を形成する工程(a2)とを有する。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the step (a) includes a step (a1) of forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate and a first diffusion preventing insulating film on the interlayer insulating film. Forming (a2).
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、工程(f)の後に、配線溝中の金属膜の上にキャップ膜を選択的に形成する工程(g)を有する。 In addition, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (g) of selectively forming a cap film on the metal film in the wiring trench after the step (f).
また、本発明に係る半導体装置の製造方法では、工程(g)は、絶縁膜の上に配線溝中の金属膜の上を埋めるようにキャップ膜を堆積する工程(g1)と、キャップ膜を研磨して配線溝中の金属膜の上にキャップ膜を残し、配線溝以外の部分に絶縁膜を露出させる工程(g2)とを有する。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the step (g) includes a step (g1) of depositing a cap film on the insulating film so as to fill the metal film in the wiring trench, And a step (g2) of polishing to leave a cap film on the metal film in the wiring groove and exposing the insulating film to a portion other than the wiring groove.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、工程(g)の後に、半導体基板の全面を覆うように絶縁膜を形成する工程(h)を有する。 In addition, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (h) of forming an insulating film so as to cover the entire surface of the semiconductor substrate after the step (g).
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、工程(g)の後に、第1の拡散防止絶縁膜を除去して層間絶縁膜を露出させる工程(i)と、配線溝中に形成された金属膜と導電性バリア膜とキャップ膜からなる金属配線上に、金属配線間の層間絶縁膜上を埋めるように第2の拡散防止絶縁膜を形成する工程(j)とを有する。 Also, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after the step (g), the step (i) of removing the first diffusion preventing insulating film and exposing the interlayer insulating film is formed in the wiring trench. And a step (j) of forming a second diffusion preventing insulating film on the metal wiring composed of the metal film, the conductive barrier film, and the cap film so as to fill the interlayer insulating film between the metal wirings.
これにより、キャップ膜と導電性バリア膜との接続部が第2の拡散防止膜により覆われ、キャップ膜と導電性バリア膜との接続部が、層間絶縁膜と第2の拡散防止膜との界面に直結することはないので、拡散経路となる層間絶縁膜と第2の拡散防止膜との界面に金属原子が侵入するのを防ぐことができ、金属原子の層間絶縁膜への浸み出しを防止することができる。 Thereby, the connection portion between the cap film and the conductive barrier film is covered with the second diffusion prevention film, and the connection portion between the cap film and the conductive barrier film is formed between the interlayer insulating film and the second diffusion prevention film. Since it is not directly connected to the interface, metal atoms can be prevented from entering the interface between the interlayer insulation film serving as the diffusion path and the second diffusion prevention film, and the metal atoms can seep into the interlayer insulation film. Can be prevented.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法では、導電性バリア膜は、Ta、TaN、Ta及びTaNの積層、Ti、TiN、又は、Ti及びTiNの積層のいずれか一つからなる。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the conductive barrier film is made of any one of Ta, TaN, Ta and TaN, Ti, TiN, and Ti and TiN.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法では、第1の拡散防止絶縁膜及び第2の拡散防止絶縁膜は、少なくとも、SiC、SiN、SiCN、SiCOのいずれか一つを有する。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first diffusion preventing insulating film and the second diffusion preventing insulating film include at least one of SiC, SiN, SiCN, and SiCO.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法では、キャップ膜は、W、Ta、TaN、Ta及びTaNの積層、Ti、TiN、又は、Ti、TiNの積層、Co合金、Ni合金のいずれか一つからなる。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the cap film is any one of W, Ta, TaN, Ta and TaN, Ti, TiN, Ti, TiN, Co alloy, and Ni alloy. It consists of one.
本発明によれば、Cuにスクラッチを発生させず、Cu膜上にキャップ膜を確実に埋め込むことができ、Cu膜を拡散経路から遠ざけることができるので、架橋構造の形成、Cu原子の浸み出し・拡散を防止して、配線間ショート等の配線不良の発生を抑えることができる。 According to the present invention, it is possible to reliably embed the cap film on the Cu film without causing scratches in the Cu, and to keep the Cu film away from the diffusion path. It is possible to prevent the occurrence of wiring defects such as a short circuit between wirings by preventing lead-out and diffusion.
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図1(a)〜図2(d)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。図1(a)〜図2(d)において、左側は配線間隔の狭い領域を示し、右側は配線間隔の広い領域を示している。
(First embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described below. FIG. 1A to FIG. 2D are cross-sectional views showing respective steps of the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1A to FIG. 2D, the left side shows a region with a narrow wiring interval, and the right side shows a region with a wide wiring interval.
まず、図1(a)に示すように、CVD法により、半導体基板101上に層間絶縁膜102を厚さ450nm程度形成する。ここで、層間絶縁膜102としては、SiOC(酸化炭化シリコン)を用いる。続けて、CVD法により、層間絶縁膜102上に、拡散防止絶縁膜103を厚さ50nm程度形成する。ここで、拡散防止絶縁膜103としては、SiCを用いる。
First, as shown in FIG. 1A, an
次に、図1(b)に示すように、フォトリソグラフィー法により、拡散防止絶縁膜103上に、配線パターンを有するフォトレジスト(図示せず)を形成する。次に、ドライエッチング法により、このフォトレジストをエッチングマスクとして用いて、拡散防止絶縁膜103及び層間絶縁膜102を除去して配線溝104を形成する。その後、アッシングにより、フォトレジストを除去する。
Next, as shown in FIG. 1B, a photoresist (not shown) having a wiring pattern is formed on the diffusion
次に、図1(c)に示すように、スパッタ法により、拡散防止絶縁膜103上に配線溝104を覆うようにバリアメタル膜105aを厚さ30nm程度形成する。ここで、バリアメタル膜105aとしては、Ti(チタン)を用いる。
Next, as shown in FIG. 1C, a barrier metal film 105a is formed to a thickness of about 30 nm on the diffusion
次に、図1(d)に示すように、CMP法により、配線溝104からはみ出したバリアメタル膜105aを研磨して、配線溝104以外の部分に拡散防止絶縁膜103を露出させ、配線溝104内にバリアメタル膜105を残す。
Next, as shown in FIG. 1D, the barrier metal film 105a protruding from the
次に、図1(e)に示すように、スパッタ法により、拡散防止絶縁膜103上にバリアメタル105の上から配線溝104を覆うように、シードCu膜(図示せず)を成膜する。その後、電解メッキ法により、シードCu膜の上から配線溝104を埋めるように、Cu膜106aを形成する。その後、N2/H2雰囲気中での450℃、30分の熱処理により、シードCu膜とCu膜106aとを一体化する。
Next, as shown in FIG. 1E, a seed Cu film (not shown) is formed on the diffusion
次に、図2(a)に示すように、CMP法により、配線溝104からはみ出したCu膜106aを研磨して、配線溝104以外の部分に拡散防止絶縁膜103を露出させ、配線溝104内にCu膜106を残して、バリアメタル膜105及びCu膜106からなる金属配線107を形成する。このとき、研磨により拡散防止絶縁膜103が露出した後であっても、拡散防止絶縁膜103上からCu膜106がほぼ完全に除去されるまで研磨を続ける(オーバーエッチング)。そのため、配線溝104内のCu膜106の表面は陥没し、くぼみBができる。
Next, as shown in FIG. 2A, the Cu film 106 a protruding from the
次に、図2(b)に示すように、スパッタ法により、拡散防止絶縁膜103上に配線溝104内のCu膜106上のくぼみBを埋めるようにキャップ膜108aを形成する。ここで、キャップ膜108aとしては、Tiを用いる。
Next, as shown in FIG. 2B, a
次に、図2(c)に示すように、CMP法により、配線溝104からはみ出したキャップ膜108aを研磨して、配線溝104以外の部分に拡散防止絶縁膜103を露出させ、配線溝104内に選択的にキャップ膜108を残す。
Next, as shown in FIG. 2C, the
次に、図2(d)に示すように、CVD法により、半導体基板101の全面に、絶縁膜109を厚さ80nm程度堆積する。ここで、絶縁膜109としては、SiNを用いる。
Next, as shown in FIG. 2D, an insulating
第1の実施形態は、図1(d)に示すバリアメタル膜105の研磨工程と図2(a)に示すCu膜106の研磨工程とを別工程としている。これにより、バリアメタル膜105の研磨時にCu膜106は堆積されていないので、バリアメタル膜105の研磨によりCu膜106にスクラッチが発生することを回避することができ、配線間ショートの発生を防ぐことができる。
In the first embodiment, the polishing process of the
また、第1の実施形態は、Cu膜106の研磨の際に、既にバリアメタル膜105が拡散防止絶縁膜103上から除去された状態でCu膜106の研磨をすることができる。そのため、ディッシングの発生を制御することができ、配線溝104内のCu膜106上に配線幅の間隔に関係ない比較的均一な深さのくぼみBを形成することができる。これにより、キャップ膜108がくぼみBに十分埋め込まれ、キャップ膜108の上端部がバリアメタル膜105の上端部よりも下位置となり、キャップ膜108によってCu膜106を確実に覆うことができる。
In the first embodiment, when the
なお、第1の実施形態では、シングルダマシンについて説明したが、ビアホールと配線溝を形成し、ビアプラグと配線とを同時に形成するデュアルダマシンにも用いることができる。また、拡散防止絶縁膜103としてSiCを用いたが、SiN、SiCN(炭化窒化シリコン)、SiCOを用いてもよい。また、バリアメタル膜105aとしてTiを用いたが、TiN、TiとTiNとの積層膜、Ta(タンタル)、TaN、又は、TaとTaNとの積層膜を用いてもよい。また、キャップ膜108aとしてTiを用いたが、W(タングステン)、TiN、TiとTiNとの積層膜、Ta、TaN、又は、TaとTaNとの積層膜、Co合金、Ni合金を用いてもよい。キャップ膜108aにWを用いた場合には、Cu膜106との密着性が高くなる。このため、EM(エレクトロマイグレーション)耐性等が良くなり、配線の信頼性が向上する。
In the first embodiment, single damascene has been described. However, the present invention can also be used for dual damascene in which a via hole and a wiring groove are formed and a via plug and a wiring are simultaneously formed. Further, although SiC is used as the diffusion preventing insulating
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図3(a)〜図4(e)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。図3(a)〜図4(e)において、左側は配線間隔の狭い領域を示し、右側は配線間隔の広い領域を示している。
(Second Embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described below. FIG. 3A to FIG. 4E are cross-sectional views showing respective steps of the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIGS. 3A to 4E, the left side shows a region with a narrow wiring interval, and the right side shows a region with a wide wiring interval.
まず、図3(a)に示すように、CVD法により、半導体基板201上に層間絶縁膜202を厚さ450nm程度形成する。ここで、層間絶縁膜202としては、SiOCを用いる。続けて、CVD法により、層間絶縁膜202上に、第1の拡散防止絶縁膜203を厚さ50nm程度形成する。ここで、第1の拡散防止絶縁膜203としては、SiCを用いる。
First, as shown in FIG. 3A, an
次に、図3(b)に示すように、フォトリソグラフィー法により、第1の拡散防止絶縁膜203上に、配線パターンを有するフォトレジスト(図示せず)を形成する。次に、ドライエッチング法により、このフォトレジストをエッチングマスクとして用いて、第1の拡散防止絶縁膜203及び層間絶縁膜202を除去して配線溝204を形成する。その後、アッシングにより、フォトレジストを除去する。
Next, as shown in FIG. 3B, a photoresist (not shown) having a wiring pattern is formed on the first diffusion
次に、図3(c)に示すように、スパッタ法により、第1の拡散防止絶縁膜203上に配線溝204を覆うようにバリアメタル膜205aを厚さ30nm程度形成する。ここで、バリアメタル膜205aとしては、Tiを用いる。
Next, as shown in FIG. 3C, a
次に、図3(d)に示すように、CMP法により、配線溝204からはみ出したバリアメタル膜205aを研磨して、配線溝204以外の部分に第1の拡散防止絶縁膜203を露出させ、配線溝204内にバリアメタル膜205を残す。
Next, as shown in FIG. 3D, the
次に、図3(e)に示すように、スパッタ法により、第1の拡散防止絶縁膜203上にバリアメタル205の上から配線溝204を覆うように、シードCu膜(図示せず)を成膜する。その後、電解メッキ法により、シードCu膜の上から配線溝204を埋めるように、Cu膜206aを形成する。その後、N2/H2雰囲気中での450℃、30分の熱処理により、シードCu膜とCu膜206aとを一体化する。
Next, as shown in FIG. 3E, a seed Cu film (not shown) is formed on the first diffusion
次に、図4(a)に示すように、CMP法により、配線溝204からはみ出したCu膜206aを研磨して、配線溝204以外の部分に第1の拡散防止絶縁膜203を露出させ、配線溝204内にCu膜206を残して、バリアメタル膜205及びCu膜206からなる金属配線207を形成する。このとき、研磨により第1の拡散防止絶縁膜203が露出した後であっても、第1の拡散防止絶縁膜203上からCu膜206がほぼ完全に除去されるまで研磨を続ける(オーバーエッチング)。そのため、配線溝204内のCu膜206の表面は陥没し、くぼみBができる。
Next, as shown in FIG. 4A, the Cu film 206a protruding from the
次に、図4(b)に示すように、スパッタ法により、第1の拡散防止絶縁膜203上に配線溝204内のCu膜206上のくぼみBを埋めるようにキャップ膜208aを形成する。ここで、キャップ膜208aとしては、Tiを用いる。
Next, as shown in FIG. 4B, a
次に、図4(c)に示すように、CMP法により、配線溝204からはみ出したキャップ膜208aを研磨して、配線溝204以外の部分に第1の拡散防止絶縁膜203を露出させ、配線溝204内に選択的にキャップ膜208を残す。
Next, as shown in FIG. 4C, the
次に、図4(d)に示すように、ウェットエッチング法により、第1の拡散防止絶縁膜203をエッチング除去し、層間絶縁膜202を露出させる。ここで、ウエットエッチングの液としては、H3PO4(燐酸)、HF(フッ酸)、フッ硝酸等を用いる。これにより、層間絶縁膜202の上面よりもバリアメタル膜205とキャップ膜208との接続部の位置が高くなる。
Next, as shown in FIG. 4D, the first diffusion
次に、図4(e)に示すように、CVD法により、半導体基板201の全面に、金属配線207の間を埋めるように第2の拡散防止絶縁膜209を厚さ150nm程度堆積する。ここで、第2の拡散防止絶縁膜209としては、SiCを用いる。
Next, as shown in FIG. 4E, a second diffusion-preventing insulating film 209 is deposited on the entire surface of the
第2の実施形態は、図3(d)に示すバリアメタル膜205の研磨工程と図4(a)に示すCu膜206の研磨工程とを別工程としている。これにより、バリアメタル膜205の研磨時にCu膜206は堆積されていないので、バリアメタル膜205の研磨によりCu膜206にスクラッチが発生することを回避することができ、配線間ショートの発生を防ぐことができる。
In the second embodiment, the polishing process of the
また、第2の実施形態は、Cu膜206の研磨の際に、既にバリアメタル膜205が拡散防止絶縁膜203上から除去された状態でCu膜206の研磨をすることができる。そのため、ディッシングの発生を制御することができ、配線溝204内のCu膜206上に配線幅の間隔に関係ない比較的均一な深さのくぼみBを形成することができる。これにより、キャップ膜208がくぼみBに十分埋め込まれ、キャップ膜208の上端部がバリアメタル膜205の上端部よりも下位置となり、キャップ膜208によってCu膜206を確実に覆うことができる。
In the second embodiment, when the
さらに、第2の実施形態では、バリアメタル膜205とキャップ膜208との接続部が拡散防止絶縁膜209により覆われており、バリアメタル膜205とキャップ膜208との接続部が拡散経路となる層間絶縁膜202と拡散防止絶縁膜203との界面に直結していない。つまり、Cu原子の浸み出す部分と、拡散経路が直結していない。これにより、Cu原子が浸み出しても拡散経路に広がりにくくなっており、Cu原子の拡散によるリーク電流の発生や配線間ショートの発生を防ぐことができる。
Furthermore, in the second embodiment, the connection portion between the
なお、第2の実施形態では、シングルダマシンについて説明したが、ビアホールと配線溝を形成し、ビアプラグと配線とを同時に形成するデュアルダマシンにも用いることができる。また、拡散防止絶縁膜203としてSiCを用いたが、SiN、SiCN、SiCOを用いてもよい。また、バリアメタル膜205aとしてTiを用いたが、TiN、TiとTiNとの積層膜、Ta、TaN、又は、TaとTaNとの積層膜を用いてもよい。また、キャップ膜208aとしてTiを用いたが、W、TiN、TiとTiNとの積層膜、Ta、TaN、又は、TaとTaNとの積層膜、Co合金、Ni合金を用いてもよい。キャップ膜208aにWを用いた場合には、Cu膜206との密着性が高くなる。このため、EM耐性等が良くなり、配線の信頼性が向上する。
In the second embodiment, the single damascene has been described. However, the present invention can also be used for a dual damascene in which a via hole and a wiring groove are formed and a via plug and a wiring are simultaneously formed. Further, although SiC is used as the diffusion preventing insulating
本発明は、銅配線を有する半導体装置及びその製造方法に有用である。 The present invention is useful for a semiconductor device having a copper wiring and a method for manufacturing the same.
101 半導体基板
102 層間絶縁膜
103 拡散防止絶縁膜
104 配線溝
105a バリアメタル膜
105 バリアメタル膜
106a Cu膜
106 Cu膜
107 金属配線
108a キャップ膜
108 キャップ膜
109 絶縁膜
201 半導体基板
202 層間絶縁膜
203 第1の拡散防止絶縁膜
204 配線溝
205a バリアメタル膜
205 バリアメタル膜
206a Cu膜
206 Cu膜
207 金属配線
208a キャップ膜
208 キャップ膜
209 第2の拡散防止絶縁膜
B くぼみ
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記絶縁膜中に形成された配線溝と、
前記配線溝を覆うように形成された導電性バリア膜と、
前記導電性バリア膜の上から前記配線溝を埋めるように形成された金属膜と、
前記配線溝中の前記金属膜の上に形成されたキャップ膜とを備え、
前記絶縁膜は、前記半導体基板の上に形成された層間絶縁膜と前記層間絶縁膜上に形成された第1の拡散防止絶縁膜とを有し、前記キャップ膜と前記導電性バリア膜との接続部は、前記層間絶縁膜と前記拡散防止膜との界面よりも上位置にあることを特徴とする半導体装置。 An insulating film formed on the semiconductor substrate;
A wiring groove formed in the insulating film;
A conductive barrier film formed to cover the wiring trench;
A metal film formed so as to fill the wiring trench from above the conductive barrier film;
A cap film formed on the metal film in the wiring trench,
The insulating film includes an interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate and a first diffusion preventing insulating film formed on the interlayer insulating film, and includes a cap film and a conductive barrier film. The semiconductor device according to claim 1, wherein the connecting portion is located above an interface between the interlayer insulating film and the diffusion prevention film.
前記キャップ膜の上端部は、前記導電性バリア膜の上端部よりも下位置にあることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein an upper end portion of the cap film is located lower than an upper end portion of the conductive barrier film.
前記拡散防止絶縁膜は、前記配線溝中に形成された前記金属膜と前記導電性バリア膜と前記キャップ膜からなる金属配線上に、前記金属配線間の前記層間絶縁膜上を埋めるように形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The diffusion preventing insulating film is formed on the metal wiring formed of the metal film, the conductive barrier film, and the cap film formed in the wiring groove so as to fill the interlayer insulating film between the metal wirings. A semiconductor device which is characterized by being made.
前記拡散防止絶縁膜は、少なくとも、SiC、SiN、SiCN、SiCOのいずれか一つを有することを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device as described in any one of Claims 1-3,
The diffusion preventing insulating film includes at least one of SiC, SiN, SiCN, and SiCO.
前記導電性バリア膜は、Ta、TaN、Ta及びTaNの積層、Ti、TiN、又は、Ti及びTiNの積層のいずれか一つからなることを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device is characterized in that the conductive barrier film is formed of any one of Ta, TaN, Ta and TaN, Ti, TiN, or Ti and TiN.
前記キャップ膜は、W、Ta、TaN、Ta及びTaNの積層、Ti、TiN、又は、Ti、TiNの積層、Co合金、Ni合金のいずれか一つからなることを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The cap film is made of any one of W, Ta, TaN, Ta and TaN, Ti, TiN, Ti, TiN, Co alloy, and Ni alloy.
前記絶縁膜中に配線溝を形成する工程と(b)、
前記絶縁膜上に前記配線溝を覆うように導電性バリア膜を形成する工程と(c)、
前記導電性バリア膜を研磨して前記配線溝の底面及び側面に導電性バリア膜を残し、前記配線溝以外の部分に前記絶縁膜を露出させる工程(d)と、
前記工程(d)の後に、前記絶縁膜上に前記配線溝を埋め込むように金属膜を形成する工程(e)と、
前記金属膜を研磨して前記配線溝に金属膜を残し、前記配線溝以外の部分に前記絶縁膜を露出させる工程(f)とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step of forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a wiring trench in the insulating film; and (b).
Forming a conductive barrier film on the insulating film so as to cover the wiring trench; and (c),
Polishing the conductive barrier film to leave a conductive barrier film on the bottom and side surfaces of the wiring groove, and exposing the insulating film in a portion other than the wiring groove;
After the step (d), a step (e) of forming a metal film so as to fill the wiring groove on the insulating film;
And a step (f) of polishing the metal film to leave the metal film in the wiring groove and exposing the insulating film to a portion other than the wiring groove.
前記工程(a)は、半導体基板の上に層間絶縁膜を形成する工程(a1)と、前記層間絶縁膜の上に第1の拡散防止絶縁膜を形成する工程(a2)とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 7,
The step (a) includes a step (a1) of forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate and a step (a2) of forming a first diffusion prevention insulating film on the interlayer insulating film. A method of manufacturing a semiconductor device.
前記工程(f)の後に、前記配線溝中の前記金属膜の上にキャップ膜を選択的に形成する工程(g)、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 7 or 8,
A step (g) of selectively forming a cap film on the metal film in the wiring groove after the step (f);
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記工程(g)は、前記絶縁膜の上に前記配線溝中の前記金属膜の上を埋めるようにキャップ膜を堆積する工程(g1)と、
前記キャップ膜を研磨して前記配線溝中の前記金属膜の上に前記キャップ膜を残し、前記配線溝以外の部分に前記絶縁膜を露出させる工程(g2)とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 9,
The step (g) includes a step (g1) of depositing a cap film on the insulating film so as to fill the metal film in the wiring trench.
Polishing the cap film to leave the cap film on the metal film in the wiring groove, and exposing the insulating film to a portion other than the wiring groove (g2). Device manufacturing method.
前記工程(g)の後に、前記半導体基板の全面を覆うように絶縁膜を形成する工程(h)を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 9 or 10,
After the step (g), the method for manufacturing a semiconductor device includes a step (h) of forming an insulating film so as to cover the entire surface of the semiconductor substrate.
前記工程(g)の後に、前記第1の拡散防止絶縁膜を除去して前記層間絶縁膜を露出させる工程(i)と、前記配線溝中に形成された前記金属膜と前記導電性バリア膜と前記キャップ膜からなる金属配線上に、前記金属配線間の前記層間絶縁膜上を埋めるように第2の拡散防止絶縁膜を形成する工程(j)とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 9 or 10,
After the step (g), the step (i) of removing the first diffusion preventing insulating film to expose the interlayer insulating film, the metal film and the conductive barrier film formed in the wiring trench And a step (j) of forming a second diffusion prevention insulating film on the metal wiring made of the cap film so as to fill the interlayer insulating film between the metal wirings. Production method.
前記導電性バリア膜は、Ta、TaN、Ta及びTaNの積層、Ti、TiN、又は、Ti及びTiNの積層のいずれか一つからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 7-12,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the conductive barrier film is formed of any one of a stacked layer of Ta, TaN, Ta and TaN, Ti, TiN, or a stacked layer of Ti and TiN.
前記第1の拡散防止絶縁膜及び前記第2の拡散防止絶縁膜は、少なくとも、SiC、SiN、SiCN、SiCOのいずれか一つを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 8-13,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first diffusion preventing insulating film and the second diffusion preventing insulating film include at least one of SiC, SiN, SiCN, and SiCO.
前記キャップ膜は、W、Ta、TaN、Ta及びTaNの積層、Ti、TiN、又は、Ti、TiNの積層、Co合金、Ni合金のいずれか一つからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 9-14,
The cap film is made of any one of W, Ta, TaN, Ta and TaN, Ti, TiN, Ti, TiN, Co alloy, and Ni alloy. Method.
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