JP2006294679A - Semiconductor apparatus and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of forming a wiring structure for reducing damage to a low-dielectric-constant film generated when performing plasma treatment containing NH<SB>3</SB>, and reducing a wiring delay due to an increase in a relative dielectric constant before forming a barrier film on a wiring surface. <P>SOLUTION: The method of manufacturing a semiconductor apparatus comprises a process for forming an insulating film having a relative dielectric constant of 3 or smaller on a substrate, a process for forming wiring made of Cu in the insulating film, a process for supplying reducing gas on the wiring surface, and a process for forming the barrier film on the wiring after supplying the reducing gas. As a result, after the wiring structure is formed, no plasma is supplied to the wiring surface before forming the barrier film, thus preventing the low-dielectric-constant film from being damaged and preventing a gate oxide film, or the like from deteriorating. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法、特に配線遅延を抑制するためCu/低誘電率膜配線を有する配線形成技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a wiring forming technique having a Cu / low dielectric constant film wiring in order to suppress wiring delay.

0.25μm以降の加工寸法を用いる半導体装置においては、配線間隔が狭くなってきたため、配線間に生じる電気寄生容量が増大してきている。このRC遅延による遅延時間がトランジスタのオンオフに必要な時間に比べ、無視できなくなってきた。そのため、微細化を進める上で、配線間の電気寄生容量を小さくすることが必要とされている。   In a semiconductor device using a processing dimension of 0.25 μm or more, since the wiring interval has become narrower, the electric parasitic capacitance generated between the wirings has increased. The delay time due to the RC delay cannot be ignored compared to the time required for turning on and off the transistor. For this reason, it is necessary to reduce the electric parasitic capacitance between the wirings in order to achieve miniaturization.

配線間の電気寄生容量を低減させるためには、同じ層内の配線間、異なる配線層間の絶縁膜の比誘電率を低減させることが必要である。そこで、配線金属をAlからCuに変更することにより、配線抵抗値の低減が行われている。   In order to reduce the electric parasitic capacitance between the wirings, it is necessary to reduce the relative dielectric constant of the insulating film between the wirings in the same layer and between different wiring layers. Therefore, the wiring resistance value is reduced by changing the wiring metal from Al to Cu.

しかしCuは、熱拡散、電界拡散により、絶縁膜中を拡散しやすいため、配線間リークを引き起こす場合がある。よって、Cu拡散を防ぐために、バリア膜でCu配線の周りを覆う必要がある。Cu配線では埋め込み型の配線構造であるダマシンプロセスが一般に用いられているため、通常はCu配線の側壁と下部はTaN,Ta等の導電性のバリアメタル、上部は導電性のないSiN絶縁膜がバリア膜として用いられてきた。   However, Cu tends to diffuse in the insulating film due to thermal diffusion and electric field diffusion, and thus may cause leakage between wirings. Therefore, in order to prevent Cu diffusion, it is necessary to cover the Cu wiring with a barrier film. Since a damascene process, which is a buried wiring structure, is generally used for Cu wiring, the side wall and the lower part of the Cu wiring are usually made of a conductive barrier metal such as TaN and Ta, and the upper part is made of a non-conductive SiN insulating film. It has been used as a barrier film.

しかし、次世代デバイス、例えば0.09μm以降のデバイスでは、電気寄生容量の低下がますます求められる。そこで、比誘電率7.0のSiN膜の誘電率を下げる為、SiN膜の代わりに、比誘電率4.5〜5.0程度のSiC膜や、SiC膜内のリーク電流を防ぐ為SiCにNを添加したSiCN膜等が用いられている。   However, in the next generation device, for example, a device having a size of 0.09 μm or more, a reduction in electric parasitic capacitance is increasingly required. Therefore, in order to lower the dielectric constant of the SiN film having a relative dielectric constant of 7.0, instead of the SiN film, an SiC film having a relative dielectric constant of about 4.5 to 5.0, or an SiC film for preventing leakage current in the SiC film. An SiCN film or the like in which N is added to is used.

さらに、45nmデバイス以降では、バリア膜の比誘電率を0にするため、SiCN膜から導電膜への変更が検討されている。例えば、Cu配線の上のみW、CoWP等の導電性をもつバリア膜で覆う技術の導入が検討中である。   Further, in the 45 nm device and later, in order to set the relative dielectric constant of the barrier film to 0, a change from the SiCN film to the conductive film is being studied. For example, introduction of a technique of covering only the Cu wiring with a conductive barrier film such as W or CoWP is under consideration.

ここで、従来の半導体装置の製造方法について、図6を参照しながら説明する。   Here, a conventional method for manufacturing a semiconductor device will be described with reference to FIG.

まず図6(a)に示すように、シリコン基板(図示せず)上に形成された600nm厚の第1の低誘電率膜1中に、リソグラフィー法を用いて溝を形成する。その後、スパッタによりTaNバリアメタル2を形成し、続いてメッキ法を用いて配線溝内にCu3を形成する。その後、配線溝からはみ出したTaNバリアメタル2及びCu3をCMP法により除去することにより、深さ300nmのトレンチ配線を形成する。この配線溝からはみ出したTaNバリアメタル2及びCu3をCMPプロセスにより除去する際に、研磨剤を含んだ液体がCu表面に供給される。その後CMPプロセスが終了し、研磨剤を除去すると、配線溝内に埋め込まれたCuの表面が大気中に暴露され、酸化されることとなる。配線表面上にCu酸化層があると、酸化Cuは酸化されていないCuに比べ密度が低いため、この部分を通ってCuが拡散しやすくなる。その結果、エレクトロマイグレーションが発生しやすくなり、信頼性低下という問題が発生する。   First, as shown in FIG. 6A, a groove is formed in a first low dielectric constant film 1 having a thickness of 600 nm formed on a silicon substrate (not shown) by using a lithography method. Thereafter, TaN barrier metal 2 is formed by sputtering, and subsequently Cu3 is formed in the wiring groove by using a plating method. Thereafter, the TaN barrier metal 2 and Cu3 protruding from the wiring trench are removed by CMP to form a trench wiring having a depth of 300 nm. When the TaN barrier metal 2 and Cu3 protruding from the wiring trench are removed by the CMP process, a liquid containing an abrasive is supplied to the Cu surface. Thereafter, when the CMP process ends and the abrasive is removed, the surface of Cu embedded in the wiring trench is exposed to the atmosphere and oxidized. If there is a Cu oxide layer on the surface of the wiring, Cu oxide is less dense than non-oxidized Cu, so Cu easily diffuses through this portion. As a result, electromigration tends to occur and the problem of reduced reliability occurs.

そこで、次に、図6(b)に示すように、Cu配線上にバリア膜を堆積する前に、Cu配線表面にNH3を含むガスのプラズマにさらす(特許文献1)。その結果、Cu膜表面に形成された酸化銅を除去することが出来る。 Therefore, next, as shown in FIG. 6B, before depositing a barrier film on the Cu wiring, the surface of the Cu wiring is exposed to plasma of a gas containing NH 3 (Patent Document 1). As a result, the copper oxide formed on the Cu film surface can be removed.

その後、図6(c)に示すように、Cu配線上にバリア膜としてSiCN膜5を形成する。上記のような工程を繰り返して低誘電率膜中にCu配線を有する半導体装置を形成する。
特開平11−330246号公報 T.J.Dalton et al., IITC2004, paper 8.10 NIKKEI MICRODEVICES 2005年3月号 P.53 J. Noguchi et al., Proc. of IRPS(2000), p.339-343 M. Sekiguchi et al., Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996), p.1111-1114
Thereafter, as shown in FIG. 6C, a SiCN film 5 is formed as a barrier film on the Cu wiring. The above process is repeated to form a semiconductor device having a Cu wiring in the low dielectric constant film.
JP 11-330246 A TJDalton et al., IITC2004, paper 8.10 NIKKEI MICRODEVICES March 2005 P.53 J. Noguchi et al., Proc. Of IRPS (2000), p.339-343 M. Sekiguchi et al., Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996), p.1111-1114

しかし、低誘電率膜の誘電率を更に低下させ、例えば比誘電率3.0以下の膜を用いる場合、低誘電率膜としてはCH基や空孔を含むSiOCH膜やMSQ、SiLK等の膜が挙げられる。しかし、このような低誘電率膜の表面がNH3を含むプラズマにさらされると、膜中のC部分がアッシングされ、低誘電率膜の誘電率が結局上昇してしまうという課題がある(
を参照)。
However, when the dielectric constant of the low dielectric constant film is further reduced, for example, when a film having a relative dielectric constant of 3.0 or less is used, the low dielectric constant film may be a SiOCH film including a CH 3 group or a hole, MSQ, SiLK, or the like. A membrane is mentioned. However, when the surface of such a low dielectric constant film is exposed to plasma containing NH 3 , there is a problem that the C portion in the film is ashed and the dielectric constant of the low dielectric constant film eventually increases (
, See).

つまり、図6(b)に示す工程において、絶縁膜としてCH3やかつ空孔を含むSiOCH膜やMSQ等を用いる場合、絶縁膜表面にNH3を含むプラズマを供給すると、Cを含む部分がアッシングされる。その結果、絶縁膜表面の誘電率が上昇し、配線容量が増加する。よって、配線回路の速度低下が発生し、配線遅延が生じるという問題がある。 That is, in the step shown in FIG. 6B, when a SiOCH film including MS 3 and vacancies, MSQ, or the like is used as the insulating film, when a plasma containing NH 3 is supplied to the surface of the insulating film, a portion including C is included. Ashed. As a result, the dielectric constant on the surface of the insulating film increases and the wiring capacitance increases. Therefore, there is a problem that the speed of the wiring circuit is reduced and wiring delay occurs.

また、絶縁膜中のSiと結合していたCを含む部分(CH3等)が失われた分、Siの結合手がOH基等と結合する場合がある。また、体積が大きいCH3が無くなった分、絶縁膜中の空孔が大きくなるため、水分等を絶縁膜が吸蔵しやすくなり、後工程で水分放出による膜はがれが発生する可能性がある。 Further, the portion of the insulating film containing C that has been bonded to Si (CH 3 or the like) is lost, so that the Si bond may bond to the OH group or the like. In addition, since the large volume of CH 3 is eliminated, the vacancies in the insulating film are increased, so that the insulating film can easily store moisture and the like, and the film may be peeled off due to the release of water in a later process.

さらに、空孔が大きくなったことで絶縁膜の密度がさらに低くなるため、Cuがより絶縁膜中を拡散しやすくなる。その結果、配線間のリーク電流を増大させるという問題がある。   Furthermore, since the density of the insulating film is further reduced due to the increase of the holes, Cu is more easily diffused in the insulating film. As a result, there is a problem that leakage current between wirings is increased.

また、配線表面にプラズマを供給すると、ゲート電極につながる長い配線があるパターンにおいて特に荷電粒子がたまり、電荷がゲート酸化膜に流れ込む。その結果、ゲート絶縁膜にダメージが入り、ゲート電極からのリーク電流の増加、C−V特性のずれ等が発生する。また、トランジスタをオンするのに必要な電圧Vtが変動し、回路特性のばらつきが増大するという問題もある。   In addition, when plasma is supplied to the wiring surface, particularly in a pattern having a long wiring connected to the gate electrode, charged particles accumulate, and the charge flows into the gate oxide film. As a result, the gate insulating film is damaged, an increase in leakage current from the gate electrode, a shift in CV characteristics, and the like occur. There is also a problem that the voltage Vt necessary to turn on the transistor fluctuates and the variation in circuit characteristics increases.

以上本発明は、配線表面にバリア膜を形成する前に、NH3を含むプラズマ処理を行う際に発生する低誘電率膜のダメージを低減するとともに、比誘電率上昇による配線遅延の問題を低減する配線構造の形成方法を提供することを目的とする。また、合わせてプラズマダメージによるゲート絶縁膜の劣化、Vt変動を抑制した半導体装置を提供することを目的とする。 As described above, the present invention reduces the damage of the low dielectric constant film generated during the plasma treatment containing NH 3 before forming the barrier film on the wiring surface, and reduces the problem of wiring delay due to the increase of the relative dielectric constant. An object of the present invention is to provide a method for forming a wiring structure. It is another object of the present invention to provide a semiconductor device in which deterioration of the gate insulating film due to plasma damage and Vt fluctuation are suppressed.

上記目的を達成するために、第1の発明として、基板上に3以下の比誘電率を有する絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜内にCuからなる配線を形成する工程と、配線表面上に還元性ガスを供給する工程と、還元性ガスを供給した後、前記配線上にバリア膜を形成することを特徴とする、半導体装置の製造方法を提供する。   In order to achieve the above object, as a first invention, a step of forming an insulating film having a relative dielectric constant of 3 or less on a substrate, a step of forming a wiring made of Cu in the insulating film, and a wiring surface There is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: supplying a reducing gas to the substrate; and forming a barrier film on the wiring after supplying the reducing gas.

本方法では、配線構造を形成後、バリア膜を形成する前に配線表面に対してプラズマを供給しないので、荷電粒子の基板への入射を防ぐことが出来る。よって、低誘電率膜がダメージを受けるのを防止するとともに、ゲート酸化膜の劣化を防ぐことが出来る。   In this method, plasma is not supplied to the surface of the wiring after forming the wiring structure and before forming the barrier film, so that charged particles can be prevented from entering the substrate. Therefore, the low dielectric constant film can be prevented from being damaged and the gate oxide film can be prevented from being deteriorated.

また、第2の発明として、基板上に形成された比誘電率3以下の低誘電率絶縁膜と、低誘電率膜中に形成されたCu配線と、Cu配線表面に形成されたバリア膜とを有し、SiCN膜と前記低誘電率膜の界面は、低誘電率膜内部と、C濃度と比誘電率の点において同等の値を有していることを特徴とする半導体装置を提供する。   Further, as a second invention, a low dielectric constant insulating film having a relative dielectric constant of 3 or less formed on a substrate, a Cu wiring formed in the low dielectric constant film, a barrier film formed on the surface of the Cu wiring, The semiconductor device is characterized in that the interface between the SiCN film and the low dielectric constant film has the same value in the low dielectric constant film and in terms of C concentration and relative dielectric constant. .

従来方法によると、プラズマを比誘電率2.5以下の空孔を含むMSQ等の膜に供給すると、絶縁膜表面中の、例えばSi−CH3結合が破壊され、膜の比誘電率が増加する(参照
)。一方本発明では、プラズマを低誘電率膜表面に供給しないのでNH+等によって、絶縁膜中の結合が切断されるのを防止することが出来る。
According to the conventional method, when plasma is supplied to a film such as MSQ containing holes having a relative dielectric constant of 2.5 or less, for example, Si—CH 3 bond in the insulating film surface is broken, and the relative dielectric constant of the film increases. (Ref.
). On the other hand, in the present invention, since plasma is not supplied to the surface of the low dielectric constant film, it is possible to prevent the bond in the insulating film from being broken by NH + or the like.

また、第3の発明として、基板上に形成された比誘電率3以下の低誘電率絶縁膜と、低誘電率膜中に形成されたCu配線と、Cu配線表面に形成されたバリア膜とを有し、バリア膜とCu配線表面の界面において、Nのピークが存在せず、SiCN膜と低誘電率膜の界面は、低誘電率膜内部と、C濃度と比誘電率の点において同等の値を有していることを特徴とする半導体装置を提供する。   Further, as a third invention, a low dielectric constant insulating film having a relative dielectric constant of 3 or less formed on a substrate, a Cu wiring formed in the low dielectric constant film, a barrier film formed on the surface of the Cu wiring, There is no N peak at the interface between the barrier film and the Cu wiring surface, and the interface between the SiCN film and the low dielectric constant film is the same as the inside of the low dielectric constant film, in terms of C concentration and relative dielectric constant. A semiconductor device characterized by having the following values is provided.

通常、Nを含むプラズマにCu表面をさらすと+に帯電したNH+等が基板に入射するため、CuとNが結合することが知られている(
を参照)。また、プラズマが照射された場合は、Nは低誘電率膜表面のSiOCにも入射し、Siと結合してSiN等となり、低誘電率膜の比誘電率を上げてしまう可能性がある。そこで本発明では、低誘電率膜及び配線表面に対してバリア膜を形成する前の前処理としてプラズマを供給しないため、荷電粒子が基板に入射するのを防ぐことが出来る。その結果、配線表面のCuと低誘電率膜のCとNが結合しないため、Cuの導電率の上昇や、低誘電率膜表面の比誘電率の上昇を防止することが出来る。なお、通常400℃以下の熱反応だけではCuN、SiNといった結合は形成されにくく、プラズマのエネルギーが加わることがCuN、SiNの結合形成に大きな影響を及ぼしている。
It is known that when a Cu surface is exposed to plasma containing N, NH + or the like charged to + is incident on the substrate, so that Cu and N are combined (
See). Further, when plasma is irradiated, N also enters the SiOC on the surface of the low dielectric constant film, and is combined with Si to become SiN or the like, which may increase the relative dielectric constant of the low dielectric constant film. Therefore, in the present invention, since plasma is not supplied as a pretreatment before forming the barrier film on the low dielectric constant film and the wiring surface, it is possible to prevent charged particles from entering the substrate. As a result, since Cu on the wiring surface and C and N on the low dielectric constant film are not bonded, an increase in the conductivity of Cu and an increase in the relative dielectric constant on the surface of the low dielectric constant film can be prevented. In general, bonds such as CuN and SiN are difficult to be formed only by a thermal reaction at 400 ° C. or lower, and the addition of plasma energy has a great influence on the bond formation of CuN and SiN.

また、第5の発明として、基板上に形成された比誘電率3以下の低誘電率絶縁膜と、低誘電率膜中に形成されたCu配線と、Cu配線表面に形成されたバリア膜とを有し、バリア膜とCu配線表面の界面において、Cu配線表面のCuは結晶化されていることを特徴とする半導体装置を提供する。   Further, as a fifth invention, a low dielectric constant insulating film having a relative dielectric constant of 3 or less formed on a substrate, a Cu wiring formed in the low dielectric constant film, a barrier film formed on the surface of the Cu wiring, There is provided a semiconductor device characterized in that Cu on the surface of the Cu wiring is crystallized at the interface between the barrier film and the surface of the Cu wiring.

一般に金属の上でNを含むプラズマ処理をすると、金属表面はNを含む高抵抗なアモルファス層が形成される(
を参照)。このアモルファス層の厚さは表面から5nm以下と考えられるが、配線の厚さが100nm程度となる将来では、高抵抗層が5nmあると全体の配線抵抗が5%上昇してしまうという問題がある。よって、プラズマを用いなければ、イオンが存在しないため、NH+等のイオンが基板に入射するという現象がなく、Cu配線の表面がアモルファス化するという問題を防ぐことができる。
In general, when a plasma treatment containing N is performed on a metal, a high-resistance amorphous layer containing N is formed on the metal surface (
See). Although the thickness of this amorphous layer is considered to be 5 nm or less from the surface, there is a problem that in the future when the thickness of the wiring is about 100 nm, if the high resistance layer is 5 nm, the total wiring resistance will increase by 5%. . Therefore, if plasma is not used, ions do not exist, so that there is no phenomenon that ions such as NH + enter the substrate, and the problem that the surface of the Cu wiring becomes amorphous can be prevented.

また、以上の発明では配線表面の表面処理としてプラズマの供給を行わない為、図7で見てもプラズマダメージによるC−V特性のずれがほとんどないことがわかる。ちなみに、図7のNH3 Thermal Treatmentの条件は4.2Torr、345℃、NH:760sccmで60sec処理した場合である。ここで、C=6pFを示すゲート電圧Vgの値がプラズマ処理では40mVずれるが、熱処理のみでは10mV以下でずれがほとんどないことを意味している。このようにゲート酸化膜の特性ずれに対しても、還元性のガス(例えばNH3)を、減圧雰囲気下で供給しながら熱処理を行うことは有効である。 Further, in the above invention, since plasma is not supplied as the surface treatment of the wiring surface, it can be seen that there is almost no deviation in CV characteristics due to plasma damage even when viewed in FIG. Incidentally, the NH 3 Thermal Treatment condition in FIG. 7 is the case where the treatment is performed at 4.2 Torr, 345 ° C., NH 3 : 760 sccm for 60 seconds. Here, the value of the gate voltage Vg indicating C = 6 pF shifts by 40 mV in the plasma processing, but it means that there is almost no deviation at 10 mV or less only by the heat treatment. As described above, it is effective to perform the heat treatment while supplying a reducing gas (for example, NH 3 ) in a reduced pressure atmosphere even for the characteristic deviation of the gate oxide film.

本発明によると、比誘電率3.0以下の低誘電率膜を有するCu配線に対して、還元性ガスの減圧雰囲気に300℃〜400℃でさらすことで、比誘電率3.0以下の低誘電率膜で顕著になるSi−CH3基へのダメージを回避し、比誘電率上昇による配線遅延の問題を低減することが出来る。またプラズマダメージによるゲート絶縁膜の劣化やVt変動のない半導体装置とその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a Cu wiring having a low dielectric constant film having a relative dielectric constant of 3.0 or less is exposed to a reduced gas atmosphere of a reducing gas at 300 ° C. to 400 ° C. It is possible to avoid damage to the Si—CH 3 group that becomes prominent in the low dielectric constant film, and to reduce the problem of wiring delay due to an increase in relative dielectric constant. In addition, it is possible to provide a semiconductor device in which the gate insulating film is not deteriorated due to plasma damage and the Vt variation is not caused, and a manufacturing method thereof.

また、本発明はCu配線表面の表面処理としてプラズマを用いないため、荷電粒子の基板への入射が抑制でき、Cu、低誘電率膜とNの結合を防ぐことが出来る。その結果、Cuの導電率の上昇や、低誘電率膜表面の比誘電率の上昇を防ぐことが出来る。   In addition, since the present invention does not use plasma as the surface treatment of the surface of the Cu wiring, the incident of charged particles to the substrate can be suppressed, and the bonding of Cu, a low dielectric constant film and N can be prevented. As a result, it is possible to prevent an increase in the conductivity of Cu and an increase in the relative dielectric constant of the surface of the low dielectric constant film.

また本発明では、配線形成後バリア膜を形成する前に、配線表面に対してプラズマの供給を行わないので、NH+等がSi−CH3結合を損なう度合いを低減することができる。その結果、低誘電率膜の表面であってもCの濃度低下が少ない半導体装置を提供することが出来る。 In the present invention, since plasma is not supplied to the wiring surface before forming the barrier film after forming the wiring, the degree to which NH + or the like impairs the Si—CH 3 bond can be reduced. As a result, it is possible to provide a semiconductor device in which the decrease in C concentration is small even on the surface of the low dielectric constant film.

また、本発明では、プラズマ状で還元性ガスを配線表面に供給しないため、例えばNを含んだイオンが基板に入射されず、バリア膜とCu配線表面の界面でのCuの結晶状態がアモルファス化されるのを防ぐことが出来る。その結果、配線抵抗が上昇しにくい半導体装置を提供することが出来る。   In the present invention, since the reducing gas is not supplied to the wiring surface in a plasma state, for example, ions containing N are not incident on the substrate, and the crystalline state of Cu at the interface between the barrier film and the Cu wiring surface becomes amorphous. Can be prevented. As a result, a semiconductor device in which the wiring resistance is unlikely to increase can be provided.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施形態について、図1を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

まず図1(a)に示すように、シリコン基板(図示せず)上に形成された600nm厚の第1の低誘電率膜1中に配線溝(トレンチ溝)を形成する。本実施形態では、低誘電率膜として比誘電率2.8程度のSiOC膜を用いる。その後、配線溝からはみ出し、基板上にも成膜されたTaNバリアメタル2とCu3をCMPにより除去し、配線溝内にTaNバリアメタル2、Cu3からなる深さ300nmの配線(トレンチ)を形成する。   First, as shown in FIG. 1A, a wiring groove (trench groove) is formed in a first low dielectric constant film 1 having a thickness of 600 nm formed on a silicon substrate (not shown). In this embodiment, a SiOC film having a relative dielectric constant of about 2.8 is used as the low dielectric constant film. Thereafter, the TaN barrier metal 2 and Cu3 formed on the substrate protruding from the wiring groove are removed by CMP, and a wiring (trench) having a depth of 300 nm made of TaN barrier metal 2 and Cu3 is formed in the wiring groove. .

次に、図1(b)に示すように、例えば基板を圧力4.2Torr、345℃の状態にあるCVD装置内に搬入する。その後、プラズマを照射しないで、基板上に流量760sccmでNH3ガスを供給し、120sec間基板を保持する。 Next, as shown in FIG. 1B, for example, the substrate is carried into a CVD apparatus at a pressure of 4.2 Torr and 345 ° C. Thereafter, NH 3 gas is supplied onto the substrate at a flow rate of 760 sccm without plasma irradiation, and the substrate is held for 120 seconds.

先の工程で基板上に形成した配線の表面は、CMP工程におけるスラリー等の影響で酸化されやすい状態になっており、装置間の移動の際にCu酸化層が形成されている場合がある。酸化Cuは、純粋なCuに比べて密度が低いため、よりエレクトロマイグレーションしやすい。よって、配線表面に還元性のガスであるNH3ガスを供給することによって、Cu酸化膜を除去する。なお、この工程が本発明において特に大きな効果を示す工程である。後で、詳述する。 The surface of the wiring formed on the substrate in the previous process is easily oxidized due to the influence of slurry or the like in the CMP process, and a Cu oxide layer may be formed during movement between devices. Since Cu oxide has a lower density than pure Cu, it is easier to electromigration. Therefore, the Cu oxide film is removed by supplying NH 3 gas which is a reducing gas to the wiring surface. This process is a process that exhibits a particularly great effect in the present invention. This will be described in detail later.

その後、図1(c)に示すように、配線上に絶縁膜等配線構造を更に積層していく場合に、上層の層間絶縁膜(例えばSiOC膜)に下層配線のCu等が拡散するのを防止するため、例えば50nm厚のキャップとして働くSiCN膜5を形成する。SiCN膜の成膜には、平行平板型のCVD装置を用い、温度300〜400℃、圧力3.6Torrに設定する。また上部電極には、13.56MHzで電力0.58W/cm2を印加し、半導体装置を上部電極に対向する位置に配置された下部電極側に設置する。また、成膜用のガスとしては、例えばトリメチルシラン(SiH(CH33H/NH/Heの混合ガスを用いる。 Thereafter, as shown in FIG. 1C, when a wiring structure such as an insulating film is further laminated on the wiring, Cu of the lower wiring is diffused into the upper interlayer insulating film (for example, SiOC film). In order to prevent this, for example, a SiCN film 5 serving as a cap having a thickness of 50 nm is formed. For forming the SiCN film, a parallel plate type CVD apparatus is used, and the temperature is set to 300 to 400 ° C. and the pressure is set to 3.6 Torr. Further, a power of 0.58 W / cm 2 is applied to the upper electrode at 13.56 MHz, and the semiconductor device is placed on the lower electrode side disposed at a position facing the upper electrode. Further, as a film forming gas, for example, a mixed gas of trimethylsilane (SiH (CH 3 ) 3 H / NH 3 / He is used.

以上によりCu等の導電膜からなる配線構造を基板上に形成する。本方法によると、配線表面上に配線金属の拡散を防止するキャップ膜を形成し、そのキャップ膜を形成する前に配線表面上の不要な酸化膜の除去等を行っているので、エレクトロマイグレーション等の欠陥の発生を低減することが出来る。   Thus, a wiring structure made of a conductive film such as Cu is formed on the substrate. According to this method, a cap film that prevents the diffusion of the wiring metal is formed on the wiring surface, and unnecessary oxide films on the wiring surface are removed before the cap film is formed. The occurrence of defects can be reduced.

以下、本発明の特徴である配線表面の処理について説明する。   The wiring surface treatment, which is a feature of the present invention, will be described below.

まず図7は、従来方法、本発明の方法におけるC−V特性のずれを検討した結果を示している。具体的には、容量C=6pFの場合において、ゲート電圧Vgを横軸(V)、累積度数(%)を縦軸とし、ウェハ面内9点について測定した場合の電圧変化を調べた結果が図7に示されている。ここで累積度数とは、ウェハ面内の異なる場所を区別するための印であって、図7の場合のように測定箇所が9箇所の場合、1つ目は9分の1と規定して約11%、2つ目は9分の2として約22%、となる。なお、図7では統計の取り方をゲート電圧Vgの表示が見やすいように変えているので、9個目の測定場所における累積度数は100%ではなく、全体的に低い方へずれた表示方法になっている。ただし、累積度数の各点のずれ量は等しいので、Vgの変化量とウェハ面内の均一性については、図7より読み取ることが出来る。   First, FIG. 7 shows the result of studying the deviation of CV characteristics in the conventional method and the method of the present invention. Specifically, in the case of the capacitance C = 6 pF, the result of examining the voltage change when measuring 9 points in the wafer surface with the gate voltage Vg as the horizontal axis (V) and the cumulative frequency (%) as the vertical axis. It is shown in FIG. Here, the cumulative frequency is a mark for distinguishing different locations on the wafer surface. When there are nine measurement locations as in FIG. 7, the first is defined as 1/9. About 11%, the second is about 9%, or about 22%. In FIG. 7, since the statistics are changed so that the display of the gate voltage Vg is easy to see, the cumulative frequency at the ninth measurement location is not 100%, but the display method is shifted to the lower overall. It has become. However, since the deviation amount of each point of the cumulative frequency is equal, the change amount of Vg and the uniformity within the wafer surface can be read from FIG.

なお図7に示す結果は、測定対象パターンとして、ゲート膜厚7.0nm、面積0.001mmに10倍の面積を有するゲート電極をつなげたパターンに対して、従来方法と本発明の方法により配線表面を処理した場合の、ゲート電圧Vgと累積度数の関係を示している。ここで、累積度数に応じてVg値がずれていることから、ウェハ面内は完全には均一な状態ではないことが分かる。ウェハ面内の均一性が高いほど、累積度数に寄らずVg値は一定の値を示すので、ウェハの面内均一性が高いと横軸に対して垂直なグラフが見られるようになる。   Note that the results shown in FIG. 7 show that the pattern to be measured is a pattern in which a gate electrode having a gate film thickness of 7.0 nm and an area of 0.001 mm is connected to a gate electrode having an area 10 times larger by the conventional method and the method of the present invention The relationship between the gate voltage Vg and the cumulative frequency when the surface is processed is shown. Here, since the Vg value is shifted in accordance with the cumulative frequency, it is understood that the wafer surface is not completely uniform. The higher the in-plane uniformity of the wafer, the more constant the Vg value is, regardless of the cumulative frequency. Therefore, when the in-plane uniformity of the wafer is high, a graph perpendicular to the horizontal axis can be seen.

次に図7に基づき、従来方法と本発明の違いを説明する。ここで従来方法とは、配線表面を4.2Torr、345℃、電力0.40W/cm2に設定された反応室内に設置し、基板表面に流量760sccmでNH3プラズマを60sec供給した場合を指している。図7のグラフより、従来方法によると、NH3プラズマを用いた処理をしない場合に比べ、累積度数の曲線は全体で40mV平行移動しており、NH3プラズマ処理でゲート電圧Vgの値が40mVずれることを示している。なお、本検討ではゲート電極からなるアンテナを用いているが、かわりに配線を用いても同様の傾向を示す結果を得ることが出来る。このように、従来方法によるとプラズマによってゲート絶縁膜にダメージが入り、C−V特性を変化させ、かつトランジスタのVtを変動させてしまうことが分かる。 Next, the difference between the conventional method and the present invention will be described with reference to FIG. Here, the conventional method refers to the case where the wiring surface is installed in a reaction chamber set to 4.2 Torr, 345 ° C., and power 0.40 W / cm 2 , and NH 3 plasma is supplied to the substrate surface at a flow rate of 760 sccm for 60 seconds. ing. From the graph of FIG. 7, according to the conventional method, the curve of the cumulative frequency is translated by 40 mV as a whole compared to the case where the treatment using NH 3 plasma is not performed, and the value of the gate voltage Vg is 40 mV in the NH 3 plasma treatment. It shows that it shifts. In this study, an antenna composed of a gate electrode is used, but a result showing the same tendency can be obtained even if wiring is used instead. As described above, according to the conventional method, it is understood that the gate insulating film is damaged by plasma, changes the CV characteristics, and changes the Vt of the transistor.

一方、本発明の方法では、NMOSキャパシタ:ゲート膜厚約7.0nm、面積0.001mmに10倍の面積のゲート電極をつなげたパターンを4.2Torr、345℃に設定された反応室内に設置し、基板表面に流量760sccmでNH3ガスを60sec間供給した場合のC=6pFを示すゲート電圧Vgの値と変化量を示している。図7のグラフより、本発明の方法によると、累積度数の曲線はプラズマ処理を実施しなかった場合(Reference)の曲線に比べて10mV以下であり、ゲート電圧Vgの値のずれは、10mV程度に抑制されていることが分かる。よって、本発明ではプラズマ照射をしないことによって、ゲート絶縁膜へのダメージを確実に低減していることが分かる。 On the other hand, in the method of the present invention, an NMOS capacitor: a pattern in which a gate electrode having a gate thickness of about 7.0 nm and an area of 0.001 mm is connected to a gate electrode having an area 10 times larger is set in a reaction chamber set to 4.2 Torr and 345 ° C. The value and change amount of the gate voltage Vg indicating C = 6 pF when NH 3 gas is supplied to the substrate surface at a flow rate of 760 sccm for 60 seconds are shown. From the graph of FIG. 7, according to the method of the present invention, the curve of the cumulative frequency is 10 mV or less compared to the curve when the plasma treatment is not performed (Reference), and the deviation of the value of the gate voltage Vg is about 10 mV. It can be seen that it is suppressed. Therefore, it can be seen that in the present invention, damage to the gate insulating film is reliably reduced by not performing plasma irradiation.

なお、本発明の方法以外に、低誘電率膜の上に従来のSiO2膜ないしは比較的密度が高く空孔がほとんどない誘電率3.0前後以上のSiOC膜を形成し、CMP後の配線表面に空孔を有する低誘電率膜が露出しないようにするという方法も考えられる。しかし、低誘電率膜上に形成したSiO2膜の比誘電率は3.9であり、これでは絶縁膜を低誘電率化した効果が低減してしまう。 In addition to the method of the present invention, a conventional SiO 2 film or a SiOC film having a dielectric constant of about 3.0 or more with relatively high density and almost no voids is formed on a low dielectric constant film, and wiring after CMP is performed. A method of preventing the low dielectric constant film having holes on the surface from being exposed is also conceivable. However, the relative dielectric constant of the SiO 2 film formed on the low dielectric constant film is 3.9, which reduces the effect of reducing the dielectric constant of the insulating film.

次に、本発明の方法によりCu膜とSiCN膜の密着性が向上されていること、またそのメカニズムについて検証を行った。   Next, the adhesion of the Cu film and the SiCN film was improved by the method of the present invention, and the mechanism was verified.

まず図2は、SiCN/Cu界面の密着性をナノスクラッチ法で評価した結果を示している。ここでナノスクラッチ法とは、原子間力顕微鏡(AFM)の探針に、一定の荷重をかけて試料表面をスキャンすることで、界面破壊ないしは変形時の垂直方向の荷重(臨界荷重)と水平方向の力(水平荷重)をモニターし界面の密着性の強さを定量しようというものである。いずれの観点も大きいほどSiCN/Cu界面の密着性が高いことになる。   First, FIG. 2 shows the result of evaluating the adhesion at the SiCN / Cu interface by the nano scratch method. Here, the nano-scratch method scans the sample surface by applying a certain load to the probe of an atomic force microscope (AFM), so that the vertical load (critical load) at the time of interface destruction or deformation and horizontal The purpose is to monitor the direction force (horizontal load) and quantify the strength of adhesion at the interface. The greater the viewpoint, the higher the adhesion at the SiCN / Cu interface.

具体的には、図2(a)(b)は、配線表面にNH3プラズマ処理を行わずにSiCN膜を形成した場合(従来方法1)、配線表面にNH3プラズマ処理を行った後SiCN膜を形成した場合(従来方法2)、配線表面にプラズマ状態ではなく単にNH3ガスを供給した後にSiCN膜を形成した場合(本発明)についてそれぞれ3回の測定を行った結果を示している。特に図2(a)は密着性のパラメータとして縦軸に臨界荷重(μN)をとり、それぞれの条件で測定した結果を、図2(b)は、密着性を示すパラメータとして、縦軸に水平荷重(μN)をとり、それぞれの条件で測定した結果を示している。 Specifically, FIG. 2 (a) (b), when forming a SiCN film without NH 3 plasma process to the wiring surface (a conventional method 1), SiCN after the NH 3 plasma process to the wiring surface When the film is formed (conventional method 2), the results of three measurements are shown for each case where the SiCN film is formed after the NH 3 gas is simply supplied to the wiring surface instead of the plasma state (the present invention). . In particular, FIG. 2A shows the critical load (μN) on the vertical axis as an adhesion parameter, and the results of measurement under each condition are shown in FIG. 2B. The results of measurement under each condition with the load (μN) taken are shown.

これら図2(a)及び(b)のグラフより、臨界荷重、水平荷重いずれについても本発明は従来方法1と従来方法2の間の数値を示していることが分かる。よって、本発明のNH3熱処理を行った場合のSiCN膜と配線表面であるCu膜の間の密着性は、アンモニア処理をしなかった場合と、プラズマ状のアンモニアガスで処理した場合の中間の値である。プラズマ処理の場合が最も密着性が高くなるのは、プラズマの場合はNH+等の荷電粒子が陰極側の電極に引かれて配線表面に入射されるため、CuとNの結合が発生しやすいためである。 2 (a) and 2 (b), it can be seen that the present invention shows numerical values between the conventional method 1 and the conventional method 2 for both the critical load and the horizontal load. Therefore, the adhesion between the SiCN film when the NH 3 heat treatment of the present invention is performed and the Cu film as the wiring surface is intermediate between the case where the ammonia treatment is not performed and the case where the treatment is performed using the plasma ammonia gas. Value. In the case of plasma treatment, the adhesiveness is the highest. In the case of plasma, charged particles such as NH + are attracted to the electrode on the cathode side and are incident on the wiring surface, so that Cu and N bonds are likely to occur. Because.

また、本発明の方法においても、表面処理を行わなかった従来方法1の場合と比べて密着性が向上することがわかる。特に、2層目の配線形成時においても特にCu配線表面とSiCN膜の間で膜はがれが観察されなかったことから、SiCN膜とCu配線表面間の密着性が十分に確保されていると考えられる。さらに、減圧雰囲気でNH3ガスをCu配線表面に供給すると、Cu−CMP後にCu表面に付着した有機物等がより揮発しやすく、配線表面の欠陥をより低減することが出来る。 It can also be seen that the adhesion of the method of the present invention is improved as compared with the case of the conventional method 1 in which the surface treatment is not performed. In particular, even when the second-layer wiring was formed, no film peeling was observed between the Cu wiring surface and the SiCN film, so that the adhesion between the SiCN film and the Cu wiring surface was sufficiently ensured. It is done. Furthermore, when NH 3 gas is supplied to the Cu wiring surface in a reduced-pressure atmosphere, organic substances attached to the Cu surface after Cu-CMP are more likely to volatilize, and defects on the wiring surface can be further reduced.

次に表1は、図2のグラフに示す数値をまとめたものである。表1は、従来方法の2通りの方法でSiCN膜を形成した場合の臨界荷重と水平荷重の値と、本発明の方法によりSiCN膜を形成した場合の臨界荷重と水平荷重の値を示している。なお、従来方法のプラズマ処理として、具体的にはSiCN膜を形成する前に30秒間アンモニアプラズマに曝す処理を行う。また本発明の方法としては、配線表面を120秒間アンモニア気流に曝す処理を行う。表1より、従来方法のNH3プラズマ処理なしの場合は、臨界荷重が1340μN、水平荷重が412μNであり、本発明の方法であるプラズマなしNH3ガス処理を行った後SiCN膜を形成した場合は、臨界荷重1700μN、水平荷重463μNである。よって、本発明のガス処理と従来方法の処理無しの場合を比較すると、SiCN膜とCu膜の間の密着性は本発明のNH3ガス処理を用いた場合の方が向上していることがわかる。また、別の従来方法であるプラズマ状のNH3プラズマを用いた場合、臨界荷重が1970μN、水平荷重が596μNという値を示す。よって、Cu配線表面の処理として、密着性向上の観点においては、プラズマを用いた方が、密着性が向上することが分かる。 Next, Table 1 summarizes the numerical values shown in the graph of FIG. Table 1 shows the values of the critical load and the horizontal load when the SiCN film is formed by two methods of the conventional method, and the values of the critical load and the horizontal load when the SiCN film is formed by the method of the present invention. Yes. In addition, as the plasma processing of the conventional method, specifically, processing of exposing to ammonia plasma for 30 seconds is performed before forming the SiCN film. Moreover, as a method of the present invention, a process of exposing the wiring surface to an ammonia stream for 120 seconds is performed. From Table 1, for no NH 3 plasma process of the prior methods, the critical load is 1340MyuN, the horizontal load is 412MyuN, when forming a SiCN film after the plasma without NH 3 gas treatment is a method of the present invention Is a critical load of 1700 μN and a horizontal load of 463 μN. Therefore, comparing the gas treatment according to the present invention and the case without the conventional method, the adhesion between the SiCN film and the Cu film is improved when the NH 3 gas treatment according to the present invention is used. Recognize. When plasma-like NH 3 plasma, which is another conventional method, is used, the critical load is 1970 μN, and the horizontal load is 596 μN. Therefore, it can be seen that, as a treatment of the Cu wiring surface, the use of plasma improves the adhesion in terms of improving the adhesion.

次に、図3(a)〜(c)は、従来方法と本発明の方法を用いて形成した配線構造について、オージェ電子分光法で分析した際のSiCN膜とCu膜の界面におけるSi,C,N,O,Cuの元素プロファイルを示している。   Next, FIGS. 3A to 3C show Si and C at the interface between the SiCN film and the Cu film when the wiring structure formed using the conventional method and the method of the present invention is analyzed by Auger electron spectroscopy. , N, O, Cu element profiles are shown.

図3(a)は、Cu配線表面上にSiCN膜を形成する前に、アンモニアプラズマを用いてCu配線表面を処理することなく続けてCu配線表面上にSiCN膜を形成した場合の、SiCN膜とCu膜の界面における元素プロファイルを示している。このプロファイルによると、測定したSi,C,N,O,Cuの元素の内、O原子については、SiCN膜とCu膜の界面に10%程度酸素があることを示すピークがあることがわかる。   FIG. 3A shows a SiCN film in the case where a SiCN film is continuously formed on the Cu wiring surface without processing the Cu wiring surface using ammonia plasma before forming the SiCN film on the Cu wiring surface. The element profile in the interface of Cu and Cu film is shown. According to this profile, it can be seen that, among the measured elements of Si, C, N, O, and Cu, O atoms have a peak indicating about 10% oxygen at the interface between the SiCN film and the Cu film.

次に図3(b)は、従来方法を用いて、Cu配線表面上にSiCN膜を形成する前にCu配線表面にNH3プラズマを供給し表面処理を行い、その後、SiCN膜をCu配線表面に形成した場合の、SiCN膜とCu膜の界面における元素プロファイルを示している。このプロファイルによると、測定したSi,C,N,O,Cuの元素の内、SiCN膜とCu膜の界面に、先の図3(a)に示されていたような酸素のピークがなくなっていることがわかる。つまり、酸化銅等を含む酸化物が十分除去できていることがわかる。また、先の図3(a)とは異なり、SiCN膜とCu膜の界面にNのピークが示されていることが分かる。これはNH3プラズマ処理時のNH+の入射により、界面にCuとNからなる混合層が形成されていることを示している。このようにNが配線表面上のバリア膜と配線(Cu)の界面に多いと、界面付近のCu抵抗が高くなるという問題がある。 Next, FIG. 3 (b) shows that the conventional method is used to supply NH 3 plasma to the Cu wiring surface before forming the SiCN film on the Cu wiring surface to perform surface treatment, and then the SiCN film is applied to the Cu wiring surface. The element profile in the interface of a SiCN film | membrane and Cu film | membrane when formed in FIG. According to this profile, out of the measured Si, C, N, O, and Cu elements, the oxygen peak as shown in FIG. 3A disappears at the interface between the SiCN film and the Cu film. I understand that. That is, it can be seen that an oxide containing copper oxide or the like is sufficiently removed. It can also be seen that, unlike FIG. 3A, an N peak is shown at the interface between the SiCN film and the Cu film. This indicates that a mixed layer of Cu and N is formed at the interface due to the incidence of NH + during the NH 3 plasma treatment. Thus, when N is large at the interface between the barrier film on the wiring surface and the wiring (Cu), there is a problem that the Cu resistance near the interface becomes high.

さらに、図3(c)は、本発明の第1の実施形態で説明した方法を用いて、Cu配線表面上にSiCN膜を形成する前にCu配線表面にNH3をプラズマではなく単なるガス状で供給し、その後SiCN膜をCu配線表面に形成した場合の、SiCN膜とCu膜の界面における元素プロファイルを示している。このプロファイルによると、測定したSi,C,N,O,Cuの元素の内、SiCN膜とCu膜の界面に、先の図3(a)に示されていたような酸素のピークがなくなっていることがわかる。また、Cu,Nのプロファイルについては、図3(b)の状態と比べてNが膜中に注入される量が減少していることがわかる。 Further, FIG. 3 (c) shows that the method described in the first embodiment of the present invention is used to form NH 3 on the Cu wiring surface in the form of mere gas instead of plasma before forming the SiCN film on the Cu wiring surface. 2 shows an element profile at the interface between the SiCN film and the Cu film when the SiCN film is formed on the surface of the Cu wiring. According to this profile, out of the measured Si, C, N, O, and Cu elements, the oxygen peak as shown in FIG. 3A disappears at the interface between the SiCN film and the Cu film. I understand that. In addition, regarding the Cu and N profiles, it can be seen that the amount of N injected into the film is reduced as compared with the state of FIG.

以上より、本発明の方法によると、Cu配線表面とSiCN膜の界面における酸素のピークもNの含有量も、従来方法の場合と比べて低減できることが分かる。   From the above, it can be seen that according to the method of the present invention, the oxygen peak and the N content at the interface between the Cu wiring surface and the SiCN film can be reduced as compared with the conventional method.

次に図4は、SiCN膜とCu配線表面の界面における酸素濃度の前処理依存性を示すグラフである。ここで、横軸に分析する際に試料の深さ方向の表面を出すためにArスパッタした時間(秒)をとり、縦軸にSiCN膜とCu配線の界面における酸素含有量(%)を示す。具体的には、これらの関係は次の4種の条件、(1)前処理なしでSiCN膜を堆積、(2)アンモニアプラズマによる前処理の後SiCN膜を堆積、(3)プラズマ状態ではなく単なるガス状のアンモニアを用いて前処理を60秒間実施、(4)プラズマ状態ではなく単なるガス状のアンモニアを用いて前処理を120秒間実施、のそれぞれの場合について、スパッタ時間における酸素含有量の変化を示している。このグラフより、(1)の条件である前処理なしの場合、SiCN膜とCu配線表面の界面には図3(a)にも示されていたように10%程度の酸素が存在する。しかし、(3)のようにアンモニアガスを配線表面に60秒、または(4)のようにアンモニアガスを配線表面に120秒供給することによって、界面における酸素の含有量を4%程度に低下させることができる。なお、(2)のようにプラズマ状のアンモニアガスを使った場合も、酸素の含有量は4%程度にまでしか低減出来ていないことが図4より分かる。   Next, FIG. 4 is a graph showing the pretreatment dependence of the oxygen concentration at the interface between the SiCN film and the Cu wiring surface. Here, when the analysis is performed on the horizontal axis, the Ar sputtering time (seconds) is taken to bring out the surface in the depth direction of the sample, and the oxygen content (%) at the interface between the SiCN film and the Cu wiring is plotted on the vertical axis. . Specifically, these relationships are based on the following four conditions: (1) depositing a SiCN film without pretreatment, (2) depositing a SiCN film after pretreatment with ammonia plasma, (3) not in a plasma state In each case of pretreatment using mere gaseous ammonia for 60 seconds, and (4) pretreatment using mere gaseous ammonia instead of plasma for 120 seconds, the oxygen content at the sputtering time It shows a change. From this graph, when there is no pretreatment which is the condition of (1), about 10% of oxygen is present at the interface between the SiCN film and the Cu wiring surface as shown in FIG. However, by supplying ammonia gas to the wiring surface for 60 seconds as in (3) or ammonia gas to the wiring surface for 120 seconds as in (4), the oxygen content at the interface is reduced to about 4%. be able to. It can be seen from FIG. 4 that even when plasma ammonia gas is used as in (2), the oxygen content can be reduced only to about 4%.

つまり、アンモニアプラズマのようにプラズマガスを用いて配線表面の表面処理を行うと、Nが原因となって、バリア膜であるSiCN膜とCu配線の界面付近において抵抗が高くなるという問題が生じる場合がある。よって、本発明では、プラズマではなく単なるガスを供給することによって、界面に注入されるNの量を低減するとともに、同じく界面に注入されてしまうOの含有量を減少させることが出来る。   In other words, when the surface treatment of the wiring surface is performed using a plasma gas such as ammonia plasma, there is a problem that the resistance becomes high near the interface between the SiCN film as a barrier film and the Cu wiring due to N. There is. Therefore, in the present invention, by supplying a simple gas instead of plasma, the amount of N injected into the interface can be reduced, and the content of O that is also injected into the interface can be reduced.

以上より、本発明によると、SiCN膜とCu膜の間の密着性を高く維持しつつ、SiCN膜とCu膜の界面におけるNが原因となる高抵抗化を防ぐことが出来る。その結果、Cu配線構造のストレスマイグレーション耐性、及びエレクトロマイグレーション耐性を向上させつつ、低抵抗の配線構造を形成することが出来る。   As described above, according to the present invention, it is possible to prevent an increase in resistance caused by N at the interface between the SiCN film and the Cu film while maintaining high adhesion between the SiCN film and the Cu film. As a result, a low-resistance wiring structure can be formed while improving the stress migration resistance and electromigration resistance of the Cu wiring structure.

なお、本実施形態では、比誘電率3のSiOC膜を第1の低誘電率膜として用いたが、他の膜を用いることも出来る。特に、比誘電率2.5以下の空孔を含むMSQ等の膜を用いた場合には、NH3プラズマアッシング時にSi−CH3結合が損なわれ、低誘電率表面のSiCN膜と接する部分の低誘電率膜のC濃度が低誘電率膜内部に比べ低下するという現象が発生する。この場合、膜の比誘電率が増加し、配線容量が増加してしまうという問題がある。 In the present embodiment, the SiOC film having a relative dielectric constant of 3 is used as the first low dielectric constant film, but other films can also be used. In particular, when a film such as MSQ containing holes having a relative dielectric constant of 2.5 or less is used, the Si—CH 3 bond is impaired during NH 3 plasma ashing, and the portion of the surface in contact with the SiCN film on the low dielectric constant surface is damaged. A phenomenon occurs in which the C concentration of the low dielectric constant film is lower than that inside the low dielectric constant film. In this case, there is a problem that the relative dielectric constant of the film increases and the wiring capacitance increases.

よって本発明の方法によると、プラズマを用いることなく配線表面に注入されたOを減少させることが出来るため、プラズマによる配線表面へのNの注入を回避することが出来る。また、プラズマ状態のガスが配線表面に供給されないので、配線表面に供給される反応粒子のエネルギーは比較的低く、絶縁膜内のSi−CH3結合を損なう度合いを低減することができる。 Therefore, according to the method of the present invention, O injected into the wiring surface can be reduced without using plasma, so that N implantation into the wiring surface by plasma can be avoided. Further, since the plasma state gas is not supplied to the wiring surface, the energy of the reactive particles supplied to the wiring surface is relatively low, and the degree of damage to the Si—CH 3 bond in the insulating film can be reduced.

なお、本実施形態ではSiCN膜形成時の原料ガスとしてトリメチルシランガスを用いたが、テトラメチルシラン(Si(CH34)を用いてもよい。 In this embodiment, trimethylsilane gas is used as a source gas for forming the SiCN film, but tetramethylsilane (Si (CH 3 ) 4 ) may be used.

また、本実施形態では、Cu配線膜表面の酸化膜を除去するために、還元性を有するガスとしてNH3を含むガスを用いたが、酸化性でない他のガスとの混合ガスを用いることも出来る。例えば不活性ガスであるHe等と混合してもよい。 In this embodiment, in order to remove the oxide film on the surface of the Cu wiring film, a gas containing NH 3 is used as the reducing gas. However, a mixed gas with other non-oxidizing gas may be used. I can do it. For example, you may mix with He etc. which are inert gas.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施形態に係る半導体装置とその製造方法とについて、図5を参照しながら説明する。本実施例は請求項5の半導体装置とその製造方法について記したものである。
(Second Embodiment)
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The present embodiment describes a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to claim 5.

まず図5(a)に示すように、シリコン基板(図示せず)上に形成された600nm厚の第1の低誘電率膜1中に配線溝(トレンチ溝)を形成する。本実施形態では、低誘電率膜として比誘電率2.8程度のSiOC膜を用いる。その後、配線溝からはみ出し、基板上にも成膜されたTaNバリアメタル2とCu3をCMPにより除去し、配線溝内にTaNバリアメタル2、Cu3からなる深さ300nmの配線(トレンチ)を形成する。   First, as shown in FIG. 5A, a wiring trench (trench trench) is formed in a first low dielectric constant film 1 having a thickness of 600 nm formed on a silicon substrate (not shown). In this embodiment, a SiOC film having a relative dielectric constant of about 2.8 is used as the low dielectric constant film. Thereafter, the TaN barrier metal 2 and Cu3 formed on the substrate protruding from the wiring groove are removed by CMP, and a wiring (trench) having a depth of 300 nm made of TaN barrier metal 2 and Cu3 is formed in the wiring groove. .

次に、図5(b)に示すように、例えば基板を圧力4.2Torr、345℃の状態にあるCVD装置内に搬入する。その後、プラズマを照射しないで、減圧雰囲気下において基板上に流量760sccmでNH3ガスを供給し、120sec間基板を保持する。 Next, as shown in FIG. 5B, for example, the substrate is carried into a CVD apparatus at a pressure of 4.2 Torr and 345 ° C. Then, without irradiating with plasma, NH 3 gas is supplied onto the substrate at a flow rate of 760 sccm in a reduced pressure atmosphere, and the substrate is held for 120 seconds.

先の工程で基板上に形成した配線の表面は、CMP工程におけるスラリー等の影響で酸化されやすい状態になっており、装置間の移動の際にCu酸化層が形成されている場合がある。酸化Cuは、純粋なCuに比べて密度が低いため、よりエレクトロマイグレーションしやすい。よって、配線表面に還元性ガスであるNH3ガスを供給することによって、Cu酸化膜を除去する。なお、この工程が本発明において特に大きな効果を示す工程である。 The surface of the wiring formed on the substrate in the previous process is easily oxidized due to the influence of slurry or the like in the CMP process, and a Cu oxide layer may be formed during movement between devices. Since Cu oxide has a lower density than pure Cu, it is easier to electromigration. Therefore, the Cu oxide film is removed by supplying NH 3 gas which is a reducing gas to the wiring surface. This process is a process that exhibits a particularly great effect in the present invention.

その後、図5(c)に示すように、配線上に絶縁膜等配線構造を更に積層していく場合に、上層の層間絶縁膜(例えばSiOC膜)に下層配線のCu等が拡散するのを防止するため、例えば50nm厚のキャップとして働くCoWP膜5を形成する。CoWP膜の成膜は、選択メッキ法を用いて形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 5C, when a wiring structure such as an insulating film is further laminated on the wiring, Cu or the like of the lower layer wiring diffuses into the upper interlayer insulating film (for example, SiOC film). In order to prevent this, for example, a CoWP film 5 serving as a cap having a thickness of 50 nm is formed. The CoWP film is formed using a selective plating method.

以上のような製造工程(図6(a)〜(c))を繰り返し、CoWP膜とCu配線の密着性が高い半導体装置を形成することが出来る。また本方法によると、配線表面上に配線金属の拡散を防止するCoWP膜6からなるキャップ膜を形成し、配線表面に対して減圧下において還元性ガスを供給することによって、Cu表面に注入されるOとNの量を低減し、Wと密着性の良い膜を提供することが出来る。その結果、ストレスマイグレーション、エレクトロマイグレーションによるWとCu界面でのCuの移動を抑制することが出来る。これにより、Cu配線のストレス、エレクトロマイグレーション耐性が向上する。   By repeating the manufacturing steps as described above (FIGS. 6A to 6C), a semiconductor device having high adhesion between the CoWP film and the Cu wiring can be formed. Further, according to this method, a cap film made of a CoWP film 6 that prevents diffusion of wiring metal is formed on the wiring surface, and a reducing gas is supplied to the wiring surface under reduced pressure, thereby being injected into the Cu surface. Therefore, it is possible to provide a film having good adhesion to W. As a result, the movement of Cu at the W and Cu interface due to stress migration and electromigration can be suppressed. Thereby, stress and electromigration resistance of the Cu wiring are improved.

次に、本発明の特徴である図5(b)の工程について詳細に検証する。   Next, the process of FIG. 5B, which is a feature of the present invention, will be verified in detail.

一般に金属表面にNを含むプラズマ処理をすると、金属表面はNを含む高抵抗なアモルファス層が形成される。このアモルファス層の厚さは表面から5nm以下と考えられるが、配線の厚さが100nm程度となる将来では、高抵抗層が5nmあると全体の配線抵抗が5%上昇してしまうという問題がある。そこで、表面処理においてガスをプラズマとしてではなく、単なるガスとして供給すると、プラズマイオンが存在しないため、NH+等のイオンが基板に入射するという現象が発生するのを抑制することが出来る。その結果、Cu配線の表面がアモルファス化する現象を防ぐことができる。また、プラズマ前処理を用いた場合形成される、N等の不純物を多く含むアモルファス層上では、CoWPの選択成長は清浄なCu表面に比べ難しい。よって本発明のように、減圧下において還元性ガスを導入することにより表面処理を行う方法は、配線表面にNが注入されるのを防ぐことが出来る。その結果、新規な半導体装置の製造方法を提供することにより、CoWP等の選択成長を阻害するアモルファス層の形成を防ぐことが出来る。 In general, when a metal surface is subjected to plasma treatment containing N, a high-resistance amorphous layer containing N is formed on the metal surface. Although the thickness of this amorphous layer is considered to be 5 nm or less from the surface, there is a problem that in the future when the thickness of the wiring is about 100 nm, if the high resistance layer is 5 nm, the total wiring resistance will increase by 5%. . Therefore, if the gas is supplied not as plasma but as mere gas in the surface treatment, there is no plasma ion, so that a phenomenon that ions such as NH + enter the substrate can be suppressed. As a result, the phenomenon that the surface of the Cu wiring becomes amorphous can be prevented. In addition, selective growth of CoWP is difficult on an amorphous layer containing a large amount of impurities such as N formed when plasma pretreatment is used, compared to a clean Cu surface. Therefore, the method of performing the surface treatment by introducing the reducing gas under reduced pressure as in the present invention can prevent N from being injected into the wiring surface. As a result, by providing a novel method for manufacturing a semiconductor device, formation of an amorphous layer that inhibits selective growth of CoWP or the like can be prevented.

なお、本実施形態ではCoWP膜の代わりにW膜を拡散防止膜として用いることも出来る。その場合、WF6とH2のガスを用いた選択CVD法を用いW膜を選択的にCu配線上にのみ成長させる。具体的には、別の反応室内に半導体装置を移動し、温度345℃、圧力3Torrとし、WF6とH2を1:3の比率で流す。このときWF6+3H2→W+6HFのCVD反応により、Cu配線上に選択的にW膜を成長させることができる。 In this embodiment, a W film can be used as a diffusion preventing film instead of the CoWP film. In this case, a W film is selectively grown only on the Cu wiring by using a selective CVD method using WF 6 and H 2 gases. Specifically, the semiconductor device is moved into another reaction chamber, the temperature is 345 ° C., the pressure is 3 Torr, and WF 6 and H 2 are flowed at a ratio of 1: 3. At this time, the W film can be selectively grown on the Cu wiring by the CVD reaction of WF 6 + 3H 2 → W + 6HF.

以上より本発明は、特に銅を配線材料に有し、低誘電率膜からなる絶縁膜中に形成されたCu等の金属からなる配線構造において、プラズマダメージを低減し、エレクトロマイグレーションの発生等を防ぐことが出来る半導体装置とその製造方法等に好適である。   As described above, the present invention reduces plasma damage, generates electromigration, etc., particularly in a wiring structure made of a metal such as Cu formed in an insulating film made of a low dielectric constant film having copper as a wiring material. It is suitable for a semiconductor device that can be prevented, a manufacturing method thereof, and the like.

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工程断面図Sectional drawing of the process of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention 本発明と従来方法によって形成したSiCN膜とCu膜の臨界荷重評価及び水平荷重の値を示す図The figure which shows the critical load evaluation of the SiCN film | membrane and Cu film | membrane formed by this invention and the conventional method, and the value of a horizontal load 本発明のSiCN膜とCu膜の界面における元素プロファイルを示す図The figure which shows the element profile in the interface of the SiCN film | membrane of this invention, and Cu film | membrane 本発明のSiCN膜とCu膜の界面における元素プロファイルを示す図The figure which shows the element profile in the interface of the SiCN film | membrane of this invention, and Cu film | membrane 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工程断面図Sectional drawing of the process of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention 従来方法の工程断面図Process cross section of conventional method 本発明と従来方法におけるC−V特性を説明する図The figure explaining the CV characteristic in this invention and the conventional method

符号の説明Explanation of symbols

1 第1の低誘電率膜
2 TaNバリアメタル
3 Cu
4 プラズマダメージ有低誘電率膜
5 SiCN膜
6 CoWP膜
1 First low dielectric constant film 2 TaN barrier metal 3 Cu
4 Low dielectric constant film with plasma damage 5 SiCN film 6 CoWP film

Claims (7)

基板上に3以下の比誘電率を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜内にCuからなる配線を形成する工程と、
前記配線表面上に還元性ガスを供給する工程と、
前記還元性ガスを供給した後、前記配線上にバリア膜を形成することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film having a relative dielectric constant of 3 or less on the substrate;
Forming a wiring made of Cu in the insulating film;
Supplying a reducing gas on the wiring surface;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a barrier film on the wiring after supplying the reducing gas.
前記配線表面に還元性ガスを供給する工程は、300〜400℃の温度下で行われていることを特徴とする、請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of supplying the reducing gas to the wiring surface is performed at a temperature of 300 to 400 ° C. 前記還元性ガスは、プラズマ成分を含んでいないことを特徴とする、請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the reducing gas does not contain a plasma component. 前記バリア膜はSiCN、W又はCoWPであることを特徴とする、請求項1記載の半導体装置の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the barrier film is SiCN, W, or CoWP. 基板上に形成された比誘電率3以下の低誘電率絶縁膜と、
前記低誘電率膜中に形成されたCu配線と、
前記Cu配線表面に形成されたバリア膜とを有し、
前記SiCN膜と前記低誘電率膜の界面は、前記低誘電率膜内部と、C濃度と比誘電率の点において同等の値を有していることを特徴とする半導体装置。
A low dielectric constant insulating film having a relative dielectric constant of 3 or less formed on the substrate;
Cu wiring formed in the low dielectric constant film,
A barrier film formed on the Cu wiring surface;
The interface between the SiCN film and the low dielectric constant film has the same value as that of the inside of the low dielectric constant film in terms of C concentration and relative dielectric constant.
前記バリア膜と前記Cu配線表面の界面において、Nのピークが存在しないことを特徴とする、請求項5記載の半導体装置。 6. The semiconductor device according to claim 5, wherein there is no N peak at the interface between the barrier film and the Cu wiring surface. 前記バリア膜と前記Cu配線表面の界面において、前記Cu配線表面のCuは結晶化されていることを特徴とする、請求項5記載の半導体装置。 6. The semiconductor device according to claim 5, wherein Cu on the surface of the Cu wiring is crystallized at an interface between the barrier film and the surface of the Cu wiring.
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