JP2007027460A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特にダマシンあるいはディアルダマシンプロセスによる溝配線を有する半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a trench wiring by a damascene or a dial damascene process and a manufacturing method thereof.
従来、半導体ウェーハ上に形成する高密度集積回路の微細配線の材料として、アルミニウム系合金が用いられている。しかし、半導体装置をさらに高速化するためには、配線用材料として、より比抵抗の低い材料を用いる必要があり、このような材料としては銅や銀などが好適である。特に、銅は比抵抗が1.8μΩcmと低く、半導体装置の高速化に有利な上に、エレクトロマイグレーション耐性がアルミニウム系合金に比べて一桁程高いため、次世代の材料として期待されている。 Conventionally, an aluminum-based alloy has been used as a material for fine wiring of a high-density integrated circuit formed on a semiconductor wafer. However, in order to further increase the speed of the semiconductor device, it is necessary to use a material having a lower specific resistance as a wiring material, and copper, silver, or the like is preferable as such a material. In particular, copper is expected to be a next-generation material because it has a low specific resistance of 1.8 μΩcm, which is advantageous for increasing the speed of semiconductor devices and has an electromigration resistance that is an order of magnitude higher than that of aluminum-based alloys.
銅を用いた配線形成では、一般に銅のドライエッチングが容易でないために、いわゆるダマシン法が用いられている。
例えば特許文献1及び2などに記載されているように、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜に予め所定のパターンの配線溝を形成し、スパッタリング法によりTaで配線溝の内壁を被覆してCuの拡散バリアとなるバリアメタル層を形成し、スパッタリング法によりバリアメタル層の上層に電解メッキ処理のシードとなるCuのシード層を形成し、シード層を用いて配線溝内に配線材料(Cu)を埋め込んだ後、余剰の配線材料を化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:以下、CMPと称する。)により除去し、配線を形成する方法である。
In wiring formation using copper, since so-called dry etching of copper is generally not easy, a so-called damascene method is used.
For example, as described in Patent Documents 1 and 2, for example, a wiring groove having a predetermined pattern is formed in advance in an interlayer insulating film made of, for example, silicon oxide, and the inner wall of the wiring groove is covered with Ta by a sputtering method. A barrier metal layer to be a diffusion barrier is formed, a Cu seed layer to be a seed for electrolytic plating is formed on the barrier metal layer by a sputtering method, and a wiring material (Cu) is formed in the wiring groove using the seed layer. In this method, after the embedding, excess wiring material is removed by chemical mechanical polishing (hereinafter referred to as CMP) to form wiring.
さらに、接続孔(コンタクトホール)と配線溝(トレンチ)とを形成した後、上記と同様にして一括して配線材料を埋め込み、余剰配線材料をCMPにより除去するデュアルダマシン法も知られている。 Further, there is also known a dual damascene method in which after connecting holes (contact holes) and wiring grooves (trench) are formed, wiring materials are filled in a lump in the same manner as described above, and excess wiring materials are removed by CMP.
図10(a)は、上記のCu配線を形成するダマシンあるいはデュアルダマシンプロセスにおいて、上記のようにバリアメタル層とシード層の積層膜を形成する場合の問題点を説明する模式図である。 FIG. 10A is a schematic diagram for explaining a problem in the case where the laminated film of the barrier metal layer and the seed layer is formed as described above in the damascene or dual damascene process for forming the Cu wiring.
例えば不図示の基板に酸化シリコンなどからなる第1絶縁膜50が形成されており、これを貫通してプラグ51が埋め込まれている。
第1絶縁膜50及びプラグ51を被覆して第2絶縁膜52が形成されており、プラグ51の上面を露出するように配線溝TRが形成されている。
配線溝TRの内壁面を被覆してTaからなるバリアメタル層53が形成されており、さらにその上層にCuのシード層54が形成されている。
For example, a first
A second
A
上記のシード層を用いて電解メッキ処理を行うことで、図10(b)に示すように、配線溝TRを埋め込み、シード層と一体にして銅を含む金属層55を形成する。
以降は、CMP処理により配線溝TRの外部における金属層55及びバリアメタル層53を除去して、所望の溝配線を得ることができる。
By performing electrolytic plating using the above seed layer, as shown in FIG. 10B, the wiring trench TR is embedded, and a
Thereafter, the
ここで、上記の構成での製造工程において配線の微細化が進むと、図10(a)に示すように、シード層の配線溝縁部におけるシード層54のオーバーハングが大きくなる問題がある。オーバーハングが大きくなって電解メッキ処理を行うと、図10(b)に示すように、形成される金属層55中にボイドVなどの埋め込み不良が発生してしまう。
上記のオーバーハングやボイドが発生する現象は、配線の微細化が進むにつれてより顕著となる。
Here, if the miniaturization of the wiring advances in the manufacturing process with the above configuration, as shown in FIG. 10A, there is a problem that the overhang of the
The phenomenon in which the above-described overhang and void are generated becomes more prominent as the wiring becomes finer.
また、非特許文献1には、上記のダマシンプロセスあるいはデュアルダマシンプロセスにおいて、バリアメタル層としてRu膜を形成し、電解メッキ処置でRu膜の上層にCuを含む金属層を直接形成する技術が報告されている。 Non-Patent Document 1 reports a technique in which a Ru film is formed as a barrier metal layer in the above-described damascene process or dual damascene process, and a metal layer containing Cu is directly formed on the Ru film by electrolytic plating. Has been.
上記のRu膜上にCuを含む金属層を直接形成する場合には、メッキ処理前にRuからなるバリアメタル層の表面が酸化されてしまい、バリアメタル層とCuとの密着強度が極端に弱くなってしまう可能性がある。
解決しようとする問題点は、Cuを含む配線を形成するときに、ボイドなどの埋め込み不良が発生し、また、バリアメタル層とCuを含む金属層の密着性が低下してしまうことである。 The problem to be solved is that when forming a wiring containing Cu, a defective filling such as a void occurs, and the adhesion between the barrier metal layer and the metal layer containing Cu is lowered.
本発明の半導体装置の製造方法は、基板に配線を形成する半導体装置の製造方法であって、前記基板にTa系バリアメタル材料とCu及び/またはAgとの合金からなるバリアメタル層を形成する工程と、前記バリアメタル層の上層に前記バリアメタル層を電極とする電解メッキによりCuを含む金属層を形成する工程と、前記バリアメタル層及び前記金属層を配線パターンに加工する工程とを有する。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device in which wiring is formed on a substrate, and a barrier metal layer made of an alloy of a Ta-based barrier metal material and Cu and / or Ag is formed on the substrate. Forming a metal layer containing Cu by electrolytic plating using the barrier metal layer as an electrode above the barrier metal layer; and processing the barrier metal layer and the metal layer into a wiring pattern. .
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、基板に配線を形成する半導体装置の製造方法であって、まず、基板にTa系バリアメタル材料とCu及び/またはAgとの合金からなるバリアメタル層を形成する。
次に、バリアメタル層の上層にバリアメタル層を電極とする電解メッキによりCuを含む金属層を形成し、バリアメタル層及び金属層を配線パターンに加工する。
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device in which wiring is formed on a substrate. First, a barrier metal layer comprising a Ta-based barrier metal material and an alloy of Cu and / or Ag is formed on the substrate. Form.
Next, a metal layer containing Cu is formed on the upper layer of the barrier metal layer by electrolytic plating using the barrier metal layer as an electrode, and the barrier metal layer and the metal layer are processed into a wiring pattern.
本発明の半導体装置は、基板に配線が形成された半導体装置であって、前記配線は、前記基板に形成されたTa系バリアメタル材料とCu及び/またはAgとの合金からなるバリアメタル層と、前記バリアメタル層の上層に形成されたCuを含む金属層とを含み、前記バリアメタル層と前記金属層が配線パターンに加工されている。 The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which wiring is formed on a substrate, and the wiring includes a barrier metal layer made of an alloy of Ta-based barrier metal material and Cu and / or Ag formed on the substrate. And a metal layer containing Cu formed on the barrier metal layer, and the barrier metal layer and the metal layer are processed into a wiring pattern.
上記の本発明の半導体装置は、基板に配線が形成された半導体装置である。ここで、基板にTa系バリアメタル材料とCu及び/またはAgとの合金からなるバリアメタル層が形成され、バリアメタル層の上層にCuを含む金属層が形成され、これらのバリアメタル層と金属層が配線パターンに加工されて配線が構成されている。 The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which wiring is formed on a substrate. Here, a barrier metal layer made of an alloy of a Ta-based barrier metal material and Cu and / or Ag is formed on the substrate, and a metal layer containing Cu is formed on the barrier metal layer. These barrier metal layer and metal The layer is processed into a wiring pattern to configure the wiring.
本発明の半導体装置の製造方法は、Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgの合金によりバリアメタル層を形成しており、これを用いてCuを堆積する電解メッキ処理を行っており、即ち、バリアメタル層を電解メッキ処理のシード層としても機能させているものであり、バリアメタル層の上層に直接電解メッキ処理でCu層を堆積することで、配線パターンの微細化が進んだ場合でもリスクであるオーバーハング起因のボイドを低減することができる。また、このように形成するとバリアメタル層の表面の酸化膜形成を低減でき、さらに、バリアメタル層がアンカー効果を有するのでCu層とバリアメタル層との十分な密着力を確保できる。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, a barrier metal layer is formed of a Ta-based barrier metal material and an alloy of Cu and / or Ag, and an electrolytic plating process for depositing Cu is performed using the barrier metal layer. The barrier metal layer also functions as a seed layer for the electrolytic plating process, and even when the wiring pattern is miniaturized by depositing the Cu layer directly on the barrier metal layer by the electrolytic plating process It is possible to reduce voids due to overhang, which is a risk. Further, when formed in this manner, formation of an oxide film on the surface of the barrier metal layer can be reduced, and furthermore, since the barrier metal layer has an anchor effect, sufficient adhesion between the Cu layer and the barrier metal layer can be secured.
本発明の半導体装置は、Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgの合金によりバリアメタル層が形成されており、これを用いた電解メッキによりCuを堆積することが可能となったものであり、配線パターンの微細化が進んでもオーバーハングやボイドの発生が抑制されている。また、バリアメタル層の表面の酸化膜形成が低減されているおり、バリアメタル層がアンカー効果を有するのでCu層とバリアメタル層との十分な密着力が確保されている。 In the semiconductor device of the present invention, a barrier metal layer is formed of a Ta-based barrier metal material and an alloy of Cu and / or Ag, and Cu can be deposited by electrolytic plating using the barrier metal layer. Even if the wiring pattern is miniaturized, the occurrence of overhangs and voids is suppressed. Further, the formation of an oxide film on the surface of the barrier metal layer is reduced, and since the barrier metal layer has an anchor effect, sufficient adhesion between the Cu layer and the barrier metal layer is ensured.
以下に、本発明に係る半導体装置及びその製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
第1実施形態
図1は本実施形態に係る半導体装置の模式構成を示す断面図である。
例えば、不図示の電子回路などが形成された基板10上に、酸化シリコンからなる第1絶縁膜11が形成されており、タングステンなどからなるコンタクトプラグ12が第1絶縁膜11を貫通して不図示の電子回路に接続するように形成されている。
上記の第1絶縁膜11の上層に、例えばポリアリレンなどの有機絶縁材料からなる第2絶縁膜13が形成され、その上層に酸化シリコンなどからなる第3絶縁膜14が形成されている。
上記の第2絶縁膜13及び第3絶縁膜14には、底面にコンタクトプラグ12の上面が露出する第1配線溝TR1が形成されている。
First Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to the present embodiment.
For example, a first
A second
In the second
第1配線溝TR1の内壁を被覆して、Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgとの合金からなるバリアメタル層16が形成されており、その上層に第1配線溝TR1を埋め込んでCuからなる第1配線17aが形成されている。第1配線17aはバリアメタル層16を介してコンタクトプラグ12に接続している。
A
上記の第1配線17aを被覆して第3絶縁膜14の上層に、例えば炭化シリコンからなる第4絶縁膜18、例えば炭化酸化シリコン(SiOC)などからなる第5絶縁膜19、例えばポリアリレンなどの有機雑縁材料からなる第6絶縁膜20及び例えば酸化シリコンなどからなる第7絶縁膜21が形成されている。
上記の第4絶縁膜18及び第5絶縁膜19には、底面に第1配線17aの上面が露出するコンタクトホールCHが開口しており、コンタクトホールCHと連通して、上記の第6絶縁膜20及び第7絶縁膜21に第2配線溝TR2が形成されている。
A fourth
In the fourth
連通して設けられた第2配線溝TR2及びコンタクトホールCHの内壁を被覆して、Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgとの合金からなるバリアメタル層26が形成されており、その上層においてCuが第2配線溝TR2及びコンタクトホールCHを埋め込んで形成されており、コンタクトホールCH内にコンタクトプラグ27aが、第2配線溝TR2内には第2配線27bが、一体に形成されている。第2配線27bと一体に形成されたコンタクトプラグ27aは、バリアメタル層26を介して第1配線17aに接続している。
上記の第1配線17a及び第2配線27bの表面には、例えばCoWPなどのバリア膜が形成されていてもよい。
A
A barrier film such as CoWP may be formed on the surface of the
上記の本実施形態の半導体装置は、Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgの合金によりバリアメタル層が形成されており、これを用いた電解メッキによりCuを堆積することが可能となったものであり、配線パターンの微細化が進んでもオーバーハングやボイドの発生が抑制されている。また、バリアメタル層の表面の酸化膜形成が低減されているおり、バリアメタル層がアンカー効果を有するのでCu層とバリアメタル層との十分な密着力が確保されている。 In the semiconductor device of the present embodiment, a barrier metal layer is formed of a Ta-based barrier metal material and an alloy of Cu and / or Ag, and Cu can be deposited by electrolytic plating using the barrier metal layer. Even if the wiring pattern is miniaturized, the occurrence of overhangs and voids is suppressed. Further, the formation of an oxide film on the surface of the barrier metal layer is reduced, and since the barrier metal layer has an anchor effect, sufficient adhesion between the Cu layer and the barrier metal layer is ensured.
次に、上記の本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。
まず、図2(a)に示すように、不図示の電子回路などが形成された基板10上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法などにより酸化シリコンを堆積させ、第1絶縁膜11を形成し、不図示の電子回路に達するコンタクトホールをパターン開口し、タングステンなどで埋め込んでコンタクトプラグ12を不図示の電子回路に接続するように形成する。
上記の第1絶縁膜11の上層に、例えばポリアリレンなどの有機絶縁材料を200nmの膜厚で塗布して、第2絶縁膜13を形成する。
第2絶縁膜13の上層に、例えばシランを原料とするプラズマCVD法などにより酸化シリコンを200nmの膜厚で堆積させ、第3絶縁膜14を形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the above-described embodiment will be described.
First, as shown in FIG. 2A, silicon oxide is deposited on a
The second insulating
A third insulating
次に、図2(b)に示すように、フォトリソグラフィ工程により第3絶縁膜14の上層に第1配線のパターンで開口するレジスト膜15をパターン形成する。
得られたレジスト膜15をマスクとしてRIE(反応性イオンエッチング)などのエッチングを行い、第3絶縁膜14に第1配線溝TR1をパターン開口する。酸化シリコンはポリアリレンなどの有機絶縁材料に対して例えば100以上の高い選択比でエッチング加工できる。
Next, as shown in FIG. 2B, a resist
Etching such as RIE (reactive ion etching) is performed using the obtained resist
次に、図2(c)に示すように、パターン加工された第3絶縁膜14をハードマスクとして、RIEなどのエッチングを行い、第1配線溝TR1の開口パターンを第2絶縁膜13に転写する。ポリアリレンなどの有機絶縁材料は酸化シリコンに対して例えば100以上の高い選択比でエッチング加工できる。このエッチング処理により、レジスト膜15は除去される。
Next, as shown in FIG. 2C, the patterned third insulating
次に、図3(a)に示すように、Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgの合金ターゲットを用いたスパッタリングなどの物理蒸着法により、第1配線溝TR1の内壁面を被覆して、Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgの合金を10nmの膜厚で堆積させ、バリアメタル層16を形成する。
Next, as shown in FIG. 3A, the inner wall surface of the first wiring trench TR1 is coated by a physical vapor deposition method such as sputtering using a Ta-based barrier metal material and an alloy target of Cu and / or Ag. The
上記のTa系バリアメタル材料に添加されるCuやAgは、バリアメタル層16の電気抵抗を低下させるので、次工程においてバリアメタル層の上層にCuを含む金属層を電解メッキで成膜する際にバリアメタル層16を電極として使用でき、これにより従来形成が必要なシード層の形成が不要となる。
Since Cu or Ag added to the Ta-based barrier metal material lowers the electrical resistance of the
Cu及び/またはAgのバリアメタル材料への添加量は、少なすぎると次工程においてバリアメタル層16の上層に形成するCuを含む金属層17とバリアメタル層16との密着力低下を引き起こし、多すぎるとバリアメタル層16自体の拡散バリアの性質を阻害してしまう。従って、Cu及び/またはAgは5〜15原子%が好ましく、例えば10原子%程度とする。
If the amount of Cu and / or Ag added to the barrier metal material is too small, the adhesion force between the metal layer 17 containing Cu and the
Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgの合金膜の成膜条件は、例えば以下の通りである。
DCパワー:6kW
プロセスガス:Ar=8sccm→0sccm→12sccm
圧力:0.4Pa
成膜温度:100℃
基板バイアス:300W
The deposition conditions for the Ta-based barrier metal material and the Cu and / or Ag alloy film are, for example, as follows.
DC power: 6kW
Process gas: Ar = 8 sccm → 0 sccm → 12 sccm
Pressure: 0.4Pa
Deposition temperature: 100 ° C
Substrate bias: 300W
次に、図3(b)に示すように、例えばバリアメタル層16を一方の電極とする電解メッキ処理により1000nmの膜厚でCuを含む金属を堆積させ、バリアメタル層16の上層に第1配線溝TR1を埋め込んで金属層17を形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, for example, a metal containing Cu is deposited to a thickness of 1000 nm by electrolytic plating using the
上記の電解メッキ処理においては、必要に応じて、電解メッキに使用する対抗電極として内側と外側に同心円状に分割された構成の電極を使用してもよい。ウェーハの内側の領域と外側に領域のメッキの進み具合を調整することができる。
例えば、下記のように、第1ステップと第2ステップ合わせて内側の領域で110クーロン分のメッキを行い、続けて第3ステップとして内側電極と外側電極を等しいパワー比率で用いてトータル膜厚が1000nmとなるまでメッキする。
In the above-described electrolytic plating treatment, an electrode having a configuration that is concentrically divided into an inner side and an outer side may be used as a counter electrode used for the electrolytic plating, if necessary. It is possible to adjust the progress of plating in the region inside and outside the wafer.
For example, as shown below, the first step and the second step are combined to perform plating for 110 coulombs in the inner region, and then the third step is performed using the inner electrode and the outer electrode at an equal power ratio to obtain a total film thickness. Plating until 1000 nm.
電解メッキ方法(硫酸銅メッキ)
第1ステップ:10A/2秒/90rpm(内側電極100%)
第2ステップ:3A/30秒/90rpm(内側電極100%)
第3ステップ:18A/トータル1000nmとなるまで
(内側電極:外側電極=50%:50%)
Electrolytic plating method (copper sulfate plating)
First step: 10 A / 2 seconds / 90 rpm (inner electrode 100%)
Second step: 3A / 30 sec / 90 rpm (inner electrode 100%)
Third step: 18A / until the total reaches 1000 nm
(Inner electrode: outer electrode = 50%: 50%)
次に、熱処理を行ってCuのグレイン成長を行い、次に図3(c)に示すように、例えばCMP処理により第1配線溝TR1の外部における金属層17を除去し、さらに引き続いてCMP処理を行ってバリアメタル層16を除去する。このとき、第3絶縁膜14を100nm程度薄膜化してもよい。
これにより、第1配線溝TR1内に埋め込まれた第1配線17aとする。
Next, heat treatment is performed to grow Cu grains. Next, as shown in FIG. 3C, the metal layer 17 outside the first wiring trench TR1 is removed by, for example, CMP processing, and then CMP processing is performed. To remove the
Thus, the
続いて、Cu上の酸化膜とCMP工程でCu表面に形成されるCuの防食剤を除去する目的で、クエン酸やシュウ酸水溶液などの有機酸で洗浄した後、必要に応じて、例えば無電解メッキ処理により、第1配線17aの上面を被覆してCoWPなどのバリア膜を形成する。
Subsequently, for the purpose of removing the oxide film on Cu and the anticorrosive agent of Cu formed on the Cu surface in the CMP process, the substrate is washed with an organic acid such as citric acid or an oxalic acid aqueous solution. By electrolytic plating, a barrier film such as CoWP is formed to cover the upper surface of the
次に、図4(a)に示すように、トリメチルシランとNH3などを原料として、上層のエッチングストッパー膜として作用する窒化炭化シリコン(SiCN)または炭化シリコン(SiC)または窒化シリコンを50nmの膜厚で堆積させ、第4絶縁膜18を形成する。
次に、第4絶縁膜18の上層に、トリメチルシランなどなどを原料としたプラズマCVD法により、炭化酸化シリコン(SiOC)を200nmの膜厚で堆積させ、第5絶縁膜19を形成する。
Next, as shown in FIG. 4A, a film of 50 nm thick silicon nitride (SiCN), silicon carbide (SiC), or silicon nitride acting as an upper etching stopper film using trimethylsilane and NH 3 as raw materials. A fourth insulating
Next, silicon carbide oxide (SiOC) is deposited to a thickness of 200 nm on the fourth insulating
次に、第5絶縁膜19の上層に、例えばポリアリレンなどの有機絶縁材料を200nmの膜厚で塗布して、第6絶縁膜20を形成する。
次に、第6絶縁膜20の上層に、例えばシランを原料にしたプラズマCVD法により酸化シリコンを200nmの膜厚で堆積させ、第7絶縁膜21を形成する。
さらに、第7絶縁膜21の上層に、第2配線溝とコンタクトホール加工用のハードマスクとして、例えばプラズマCVDにより窒化シリコン及び酸化シリコンを積層させ、第8絶縁膜22及び第9絶縁膜23をそれぞれ形成する。
Next, an organic insulating material such as polyarylene is applied to the upper layer of the fifth insulating
Next, a seventh insulating
Further, as a hard mask for processing the second wiring trench and the contact hole, silicon nitride and silicon oxide are stacked on the seventh insulating
次に、図4(b)に示すように、フォトリソグラフィ工程により第9絶縁膜23の上層に第2配線のパターンで開口するレジスト膜24をパターン形成する。
得られたレジスト膜24をマスクとしてRIEなどのエッチングを行い、第9絶縁膜23に第2配線溝TR2をパターン開口する。酸化シリコンは窒化シリコンに対して例えば10以上の選択比でエッチング加工できる。
Next, as shown in FIG. 4B, a resist
Etching such as RIE is performed using the obtained resist
次に、アッシング処理などで上記のレジスト膜24を除去した後、図5(a)に示すように、フォトリソグラフィ工程により、例えば25〜50nmの第9絶縁膜23の段差を被覆して、第9絶縁膜23及び第8絶縁膜22の上層に第2配線溝の底部から開口するコンタクトホールのパターンで開口するレジスト膜25をパターン形成する。
得られたレジスト膜25をマスクとしてRIEなどのエッチングを行い、第8絶縁膜22にコンタクトホールCHのパターンを開口し、次に第8絶縁膜22をマスクとして第7絶縁膜21にコンタクトホールの開口パターンを転写し、続けて第6絶縁膜20に転写する。この第6絶縁膜20のエッチング処理により、レジスト膜25は除去される。
このようにして、第8絶縁膜22、第7絶縁膜21及び第6絶縁膜20を貫通して、コンタクトホールCHをパターン開口する。ポリアリレンなどの有機絶縁材料は酸化シリコンをマスクとして例えば100以上の高い選択比でエッチング加工できる。
Next, after removing the resist
Etching such as RIE is performed using the obtained resist
In this manner, the contact hole CH is pattern-opened through the eighth insulating
次に、図5(b)に示すように、第9絶縁膜23をマスクとして第8絶縁膜22をパターン加工し、第2配線溝TR2のパターンを第8絶縁膜22に転写する。窒化シリコンは酸化シリコンをマスクとして例えば3程度の選択比でエッチング加工できる。このとき、コンタクトホールのパターンで第5絶縁膜19の途中の深さまでエッチングされる。
Next, as shown in FIG. 5B, the eighth insulating
次に、図6(a)に示すように、第8絶縁膜22をマスクとして第7絶縁膜21をパターン加工し、第2配線溝TR2のパターンを第7絶縁膜21に転写する。この時点で第9絶縁膜23は完全に除去され、また、第5絶縁膜19にコンタクトホールのパターンが転写される。炭化酸化シリコンは、窒化シリコンや炭化シリコンあるいは窒化炭化シリコンに対して、10以上の選択比でエッチング加工できる。
Next, as shown in FIG. 6A, the seventh insulating
次に、図6(b)に示すように、第7絶縁膜21をマスクとして第6絶縁膜20をパターン加工し、第2配線溝TR2のパターンを第6絶縁膜20に転写する。
さらに、第5絶縁膜19をマスクにして第4絶縁膜18をパターン加工し、コンタクトホールCHのパターンを第4絶縁膜18に転写する。このエッチングにおいて、第8絶縁膜22を完全に除去する。
以上のようにして、第4絶縁膜18及び第5絶縁膜19にコンタクトホールを、第6絶縁膜20及び第7絶縁膜21に第2配線溝TR2を連通して形成することができる。
Next, as shown in FIG. 6B, the sixth insulating
Further, the fourth insulating
As described above, contact holes can be formed in the fourth insulating
次に、図7(a)に示すように、例えばスパッタリングなどの物理蒸着法により、コンタクトホールCH及び第2配線溝TR2の内壁面を被覆して、Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgの合金を10nmの膜厚で堆積させ、バリアメタル層26を形成する。Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgの合金の成膜条件は上記と同様とする。
Next, as shown in FIG. 7A, the inner wall surface of the contact hole CH and the second wiring trench TR2 is coated by a physical vapor deposition method such as sputtering, for example, and a Ta-based barrier metal material and Cu and / or Ag. The
次に、図7(b)に示すように、例えばバリアメタル層26を一方の電極とする電解メッキ処理により、1000nmの膜厚で銅を堆積させ、バリアメタル層26の上層にコンタクトホールCH及び第2配線溝TR2を埋め込んでCuを含む金属層27を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, copper is deposited with a film thickness of 1000 nm by, for example, electrolytic plating using the
次に、熱処理を行ってCuのグレイン成長を行い、さらに例えばCMP処理により第2配線溝TR2の外部における金属層27を除去し、さらに引き続いてCMP処理を行ってバリアメタル層26を除去する。このとき、第7絶縁膜21を薄膜化してもよい。
これにより、図1に示すように、Cuを含む金属層からなり、コンタクトホールCH内に埋め込まれたコンタクトプラグ27aと、第2配線溝TR2内に埋め込まれた第2配線27bとを一体に形成することができる。
Next, heat treatment is performed to grow Cu grains, and further, for example, the
Thereby, as shown in FIG. 1, the
続いて、Cu上の酸化膜とCMP工程でCu表面に形成されるCuの防食剤を除去する目的で、クエン酸やシュウ酸水溶液などの有機酸で洗浄した後、必要に応じて、例えば無電解メッキ処理により、第2配線27bの上面を被覆してCoWPなどのバリア膜を形成する。
Subsequently, for the purpose of removing the oxide film on Cu and the anticorrosive agent of Cu formed on the Cu surface in the CMP process, the substrate is washed with an organic acid such as citric acid or an oxalic acid aqueous solution. By electrolytic plating, a barrier film such as CoWP is formed to cover the upper surface of the
上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgの合金によりバリアメタル層を形成しており、これを用いてCuを堆積する電解メッキ処理を行っており、即ち、バリアメタル層を電解メッキ処理のシード層としても機能させているものであり、バリアメタル層の上層に直接電解メッキ処理でCu層を堆積することで、配線パターンの微細化が進んだ場合でもリスクであるオーバーハング起因のボイドを低減することができる。また、このように形成するとバリアメタル層の表面の酸化膜形成を低減でき、さらに、バリアメタル層がアンカー効果を有するのでCu層とバリアメタル層との十分な密着力を確保できる。 According to the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the barrier metal layer is formed of the Ta-based barrier metal material and the alloy of Cu and / or Ag, and the electrolytic plating process for depositing Cu using the barrier metal layer. In other words, the barrier metal layer also functions as a seed layer for the electrolytic plating process. By depositing the Cu layer directly on the barrier metal layer by the electrolytic plating process, the wiring pattern can be made fine. Even when the process is advanced, voids due to overhang, which is a risk, can be reduced. Further, when formed in this manner, formation of an oxide film on the surface of the barrier metal layer can be reduced, and furthermore, since the barrier metal layer has an anchor effect, sufficient adhesion between the Cu layer and the barrier metal layer can be secured.
第2実施形態
本実施形態では、第1実施形態と同様の工程のデュアルダマシンプロセスにより、溝配線とコンタクトプラグを一体に形成するが、絶縁膜構造をより単純な構成にした形態である。
Second Embodiment In the present embodiment, the trench wiring and the contact plug are integrally formed by a dual damascene process similar to the first embodiment, but the insulating film structure has a simpler configuration.
例えば、図8(a)に示すように、不図示の電子回路などが形成された基板40上に、例えばCVD法などにより酸化シリコンを堆積させ、第1絶縁膜41を形成し、不図示の電子回路に達するコンタクトホールをパターン開口し、タングステンなどで埋め込んでコンタクトプラグ42を不図示の電子回路に接続するように形成する。
上記の第1絶縁膜41の上層に、例えばポリアリレンなどの有機絶縁材料、酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材料により、第2絶縁膜43及び第3絶縁膜44を積層させる。
For example, as shown in FIG. 8A, a first insulating
A second insulating
次に、図8(b)に示すように、第2絶縁膜43及び第3絶縁膜44にパターンエッチング加工を行い、第2絶縁膜43にコンタクトホールCHを、第3絶縁膜44に配線溝TRを連通して形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, pattern etching is performed on the second insulating
次に、図8(c)に示すように、例えばスパッタリングなどの物理蒸着法により、コンタクトホールCH及び配線溝TRの内壁面を被覆して、Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgの合金によりバリアメタル層45を形成する。
Next, as shown in FIG. 8C, the inner wall surface of the contact hole CH and the wiring trench TR is coated by a physical vapor deposition method such as sputtering, for example, and a Ta-based barrier metal material and an alloy of Cu and / or Ag. Thus, the
次に、図9(a)に示すように、例えばバリアメタル層45を一方の電極とする電解メッキ処理によりCuを堆積させ、バリアメタル層45の上層にコンタクトホールCH及び配線溝TRを埋め込んでCuを含む金属層46を形成する。
Next, as shown in FIG. 9A, for example, Cu is deposited by an electrolytic plating process using the
次に、図9(b)に示すように、例えばCMP処理により配線溝TRの外部における金属層46を除去し、さらに引き続いてCMP処理を行ってバリアメタル層45を除去する。
これにより、Cuを含む金属からなり、コンタクトホールCH内に埋め込まれたコンタクトプラグ46aと、配線溝TR内に埋め込まれた配線46bとを一体に形成することができる。
続いて、必要に応じて、無電解メッキ処理により配線46bの上面を被覆してCoWPなどのバリア膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 9B, the
Thereby, the
Subsequently, if necessary, a barrier film such as CoWP is formed by covering the upper surface of the
上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、第1実施形態と同様に、Ta系バリアメタル材料とCu及び/またはAgの合金によりバリアメタル層を形成しており、これを用いてCuを堆積する電解メッキ処理を行っており、即ち、バリアメタル層を電解メッキ処理のシード層としても機能させているものであり、バリアメタル層の上層に直接電解メッキ処理でCu層を堆積することで、配線パターンの微細化が進んだ場合でもリスクであるオーバーハング起因のボイドを低減することができる。また、このように形成するとバリアメタル層の表面の酸化膜形成を低減でき、さらに、バリアメタル層がアンカー効果を有するのでCu層とバリアメタル層との十分な密着力を確保できる。 According to the manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment, the barrier metal layer is formed of a Ta-based barrier metal material and an alloy of Cu and / or Ag, as in the first embodiment, and this is used. In other words, the electrolytic plating process for depositing Cu is performed, that is, the barrier metal layer also functions as a seed layer for the electrolytic plating process, and the Cu layer is directly deposited on the upper layer of the barrier metal layer by the electrolytic plating process. By doing so, even when the wiring pattern is miniaturized, it is possible to reduce voids due to overhang, which is a risk. Further, when formed in this manner, formation of an oxide film on the surface of the barrier metal layer can be reduced, and furthermore, since the barrier metal layer has an anchor effect, sufficient adhesion between the Cu layer and the barrier metal layer can be secured.
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、バリアメタル層としては、TaやTaNなどのTa系バリアメタル材料と、CuやAgなどとの合金を用いることができる。この他、TiやWなどの他のバリアメタル材料とCuやAgなどとの合金を用いることができる。
層間の絶縁膜の構成は特に限定はない。
バリア膜は必要に応じて、CoWPなどのコバルト合金膜のほか、ニッケル合金膜を用いることができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
The present invention is not limited to the above description.
For example, as the barrier metal layer, an alloy of a Ta-based barrier metal material such as Ta or TaN and Cu or Ag can be used. In addition, an alloy of another barrier metal material such as Ti or W and Cu or Ag can be used.
The configuration of the interlayer insulating film is not particularly limited.
As the barrier film, a nickel alloy film as well as a cobalt alloy film such as CoWP can be used as necessary.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明の半導体装置の製造方法は、ダマシンプロセスあるいはデュアルダマシンプロセスで銅などの溝配線を形成する半導体装置の製造方法に適用できる。
本発明の半導体装置は、銅などの溝配線を有する半導体装置に適用できる。
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention can be applied to a method for manufacturing a semiconductor device in which trench wiring such as copper is formed by a damascene process or a dual damascene process.
The semiconductor device of the present invention can be applied to a semiconductor device having a trench wiring such as copper.
10…半導体基板、11…第1絶縁膜、12…コンタクトプラグ、13…第2絶縁膜、14…第3絶縁膜、15…レジスト膜、16…バリアメタル層、17…金属層、17a…第1配線、18…第4絶縁膜、19…第5絶縁膜、20…第6絶縁膜、21…第7絶縁膜、22…第8絶縁膜、23…第9絶縁膜、24…レジスト膜、25…レジスト膜、26…バリアメタル層、27…金属層、27a…コンタクトプラグ、27b…第2配線、40…半導体基板、41…第1絶縁膜、42…コンタクトプラグ、43…第2絶縁膜、44…第3絶縁膜、45…バリアメタル層、46…金属層、46a…コンタクトプラグ、46b…配線、TR1…第1配線溝、TR2…第2配線溝、TR…配線溝、CH…コンタクトホール
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記基板にTa系バリアメタル材料とCu及び/またはAgとの合金からなるバリアメタル層を形成する工程と、
前記バリアメタル層の上層に前記バリアメタル層を電極とする電解メッキによりCuを含む金属層を形成する工程と、
前記バリアメタル層及び前記金属層を配線パターンに加工する工程と
を有する半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device for forming wiring on a substrate,
Forming a barrier metal layer made of an alloy of Ta-based barrier metal material and Cu and / or Ag on the substrate;
Forming a metal layer containing Cu on the upper layer of the barrier metal layer by electrolytic plating using the barrier metal layer as an electrode;
And a step of processing the barrier metal layer and the metal layer into a wiring pattern.
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of forming the barrier metal layer, the Ta-based barrier metal material and an alloy of Cu and / or Ag are formed by sputtering using a target material.
前記バリアメタル層を形成する工程においては、前記配線溝の内壁面を被覆して形成し、
前記金属層を形成する工程においては、前記配線溝を埋め込んで形成し、
前記バリアメタル層及び前記金属層を配線パターンに加工する工程においては、前記配線溝の外部における前記バリアメタル層及び前記金属層を除去する
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Before the step of forming the barrier metal layer, and further comprising the step of forming a wiring groove in the substrate,
In the step of forming the barrier metal layer, the inner wall surface of the wiring groove is covered and formed,
In the step of forming the metal layer, the wiring groove is embedded and formed,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of processing the barrier metal layer and the metal layer into a wiring pattern, the barrier metal layer and the metal layer outside the wiring groove are removed.
請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein in the step of removing the barrier metal layer and the metal layer outside the wiring groove, polishing is performed from above the metal layer.
前記バリアメタル層を形成する工程においては、前記配線溝及び前記コンタクトホールの内壁面を被覆して形成し、
前記金属層を形成する工程においては、前記配線溝及び前記コンタクトホールを埋め込んで形成し、
前記バリアメタル層及び前記金属層を配線パターンに加工する工程においては、前記配線溝及び前記コンタクトホールの外部における前記バリアメタル層及び前記金属層を除去する
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Before the step of forming the barrier metal layer, further comprising a step of forming a wiring groove and a contact hole in communication with the substrate;
In the step of forming the barrier metal layer, the inner wall surface of the wiring groove and the contact hole is formed,
In the step of forming the metal layer, the wiring trench and the contact hole are buried and formed,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of processing the barrier metal layer and the metal layer into a wiring pattern, the barrier metal layer and the metal layer outside the wiring groove and the contact hole are removed. .
請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein in the step of removing the barrier metal layer and the metal layer outside the wiring trench and the contact hole, polishing is performed from above the metal layer.
前記配線は、
前記基板に形成されたTa系バリアメタル材料とCu及び/またはAgとの合金からなるバリアメタル層と、
前記バリアメタル層の上層に形成されたCuを含む金属層と
を含み、
前記バリアメタル層と前記金属層が配線パターンに加工されている
半導体装置。 A semiconductor device in which wiring is formed on a substrate,
The wiring is
A barrier metal layer made of an alloy of Ta-based barrier metal material and Cu and / or Ag formed on the substrate;
A metal layer containing Cu formed on the barrier metal layer, and
A semiconductor device in which the barrier metal layer and the metal layer are processed into a wiring pattern.
前記配線溝の内壁を被覆して前記バリアメタル層が形成されており、
前記バリアメタル層の上層に前記配線溝を埋め込んで前記金属層が形成されている
請求項7に記載の半導体装置。 A wiring groove is formed on the substrate,
The barrier metal layer is formed so as to cover the inner wall of the wiring groove,
The semiconductor device according to claim 7, wherein the metal layer is formed by embedding the wiring groove in an upper layer of the barrier metal layer.
前記配線溝及び前記コンタクトホールの内壁を被覆して前記バリアメタル層が形成されており、
前記バリアメタル層の上層に前記配線溝及び前記コンタクトホールを埋め込んで前記金属層が形成されている
請求項7に記載の半導体装置。
A wiring groove and a contact hole are formed in the substrate in communication,
The barrier metal layer is formed so as to cover the inner wall of the wiring groove and the contact hole,
The semiconductor device according to claim 7, wherein the metal layer is formed by filling the wiring groove and the contact hole in an upper layer of the barrier metal layer.
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- 2005-07-19 JP JP2005208230A patent/JP2007027460A/en active Pending
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