JP2007059660A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device manufacturing method for improving wiring reliability and for preventing a wiring from being highly-resistive, and to provide a semiconductor device. <P>SOLUTION: An interlayer insulating film 21 having an oxygen-containing insulating layer 21a on the lower layer side is formed on a substrate 11. Next, a wiring groove 22 is formed to the upper layer side of the interlayer insulating film 21. A connection hole 23 is formed to the oxygen-containing insulating layer 21a. Then, a first barrier film 24 is formed on the interlayer insulating film 21 in a state of covering the inner wall of the wiring groove 22 so as to expose the side wall of the connection hole 23. Next, a CuMn alloy film 25 is formed in a state of covering the inner walls of the wiring groove 22 and connection hole 23. Subsequently, a conductive layer 26 including copper is formed on the CuMn alloy film 25 in a state of filling the wiring groove 22 and connection hole 23. After that, Mn in the CuMn alloy film 25 is diffused by executing heat treatment and made to react with oxygen in the oxygen-containing insulating layer 21a. Consequently, a second barrier film 27 composed of a metal-containing oxide is formed to the side wall of the connection hole 23. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、さらに詳しくは、銅(Cu)配線を備えた多層配線構造を形成するのに好適な半導体装置の製造方法およびこれにより得られる半導体装置に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device suitable for forming a multilayer wiring structure having copper (Cu) wiring and a semiconductor device obtained thereby.

近年、シリコン(Si)の半導体集積回路において、高速化と高集積化のために銅(Cu)配線と低誘電率絶縁膜とを用いたCu配線構造が開発されている。このCu配線構造を形成するために、一般的にCuのドライエッチングが容易でないことから、シングルダマシン法、デュアルダマシン法などのいわゆる溝配線法が有望視されている。特に、デュアルダマシン法は、基板上に設けられた絶縁膜に、配線溝とこの配線溝の底部に連通する接続孔を形成した後、同一工程で、配線溝と接続孔とをCu層で埋め込む。これにより、配線とヴィアの形成を同一工程で行うことから、製造工程が簡略化できるため、注目されている。   In recent years, in a semiconductor integrated circuit of silicon (Si), a Cu wiring structure using a copper (Cu) wiring and a low dielectric constant insulating film has been developed for high speed and high integration. In order to form this Cu wiring structure, since dry etching of Cu is generally not easy, so-called trench wiring methods such as a single damascene method and a dual damascene method are considered promising. In particular, in the dual damascene method, after forming a wiring groove and a connection hole communicating with the bottom of the wiring groove in an insulating film provided on the substrate, the wiring groove and the connection hole are embedded with a Cu layer in the same process. . Accordingly, since the wiring and the via are formed in the same process, the manufacturing process can be simplified, and thus attention has been paid.

しかし、Cu配線構造を実現する場合、集積回路の製造工程で行われる各種熱処理中において、配線中のCuが周辺の絶縁層中に拡散し易い。特に、上述したデュアルダマシン法等の溝配線法により配線構造を製造する場合には、絶縁膜に配線溝または接続孔を形成した後、Cu層を埋め込むため、絶縁膜中へのCuの拡散がより顕著となる。   However, when realizing the Cu wiring structure, Cu in the wiring is likely to diffuse into the surrounding insulating layer during various heat treatments performed in the manufacturing process of the integrated circuit. In particular, when a wiring structure is manufactured by the trench wiring method such as the dual damascene method described above, the Cu layer is embedded after forming the wiring groove or the connection hole in the insulating film. It becomes more prominent.

このため、Cu層の形成に先立って、Cu層に接触する配線溝および接続孔の内壁を覆う状態で、タンタル(Ta)や窒化タンタル(TaN)などのCuの拡散を防止するバリア膜が形成されている。バリア膜は、通常、スパッタリング法により、配線溝および接続孔の内壁を覆う状態で形成される。   For this reason, prior to the formation of the Cu layer, a barrier film for preventing the diffusion of Cu such as tantalum (Ta) or tantalum nitride (TaN) is formed in a state of covering the wiring groove contacting the Cu layer and the inner wall of the connection hole. Has been. The barrier film is usually formed by a sputtering method so as to cover the wiring grooves and the inner walls of the connection holes.

上述したCu配線構造の信頼性を確保するためには、現状のプロセス技術では厚さ5nm程度のバリア膜が必要であるが、今後の配線幅の縮小化に伴う配線抵抗の低減化を図るために、バリア膜の厚さを世代毎に薄膜化することが要求されている。   In order to ensure the reliability of the Cu wiring structure described above, the current process technology requires a barrier film having a thickness of about 5 nm. In order to reduce the wiring resistance accompanying the reduction in the wiring width in the future, In addition, it is required to reduce the thickness of the barrier film for each generation.

一方、上記バリア膜の形成工程を一切省略したバリアレスプロセスが提案されている。バリアレスプロセスとしては、酸素を含む絶縁膜に凹部を形成し、この凹部に埋め込まれたCu層に例えばマンガン(Mn)からなる合金元素を添加する。次いで、熱処理によって絶縁膜との界面にこの合金元素を拡散させ、酸素を含む絶縁層と反応させて金属酸化物からなる安定性の高い自己拡散バリア層を形成するという方法である(例えば、非特許文献1参照)。   On the other hand, a barrierless process has been proposed in which the barrier film forming step is omitted. As a barrierless process, a recess is formed in an insulating film containing oxygen, and an alloy element made of, for example, manganese (Mn) is added to the Cu layer embedded in the recess. Next, this alloy element is diffused to the interface with the insulating film by heat treatment and reacted with the insulating layer containing oxygen to form a highly stable self-diffusion barrier layer made of a metal oxide (for example, non- Patent Document 1).

第65回応用物理学会学術講演会講演予稿集,2004年,p.711,2p−M−19Proceedings of the 65th JSAP Academic Lecture Meeting, 2004, p. 711,2p-M-19

しかし、上述したデュアルダマシン法によるCu配線構造において、スパッタリング法による従来のバリア膜の形成方法では、バリア膜を配線溝や接続孔の内壁に均一且つ均質に堆積することが難しい。特に、配線溝の底部に連通する接続孔の側壁には、成膜成分が到達し難く、バリア膜が形成され難い。このため、接続孔内に形成されるヴィアから絶縁膜にCuが拡散してしまうだけでなく、絶縁膜とヴィアとの密着性が悪いため、エレクトロマイグレーション耐性が確保できない、という配線信頼性上の問題が顕在化している。特に、接続孔が形成される絶縁膜が酸素を含有している場合には、ヴィアと接触することで絶縁層中の酸素によりCuが酸化されてしまい、配線抵抗が高くなる。   However, in the Cu wiring structure by the dual damascene method described above, it is difficult to deposit the barrier film uniformly and uniformly on the inner walls of the wiring grooves and connection holes by the conventional barrier film forming method by sputtering. In particular, it is difficult for the film forming component to reach the side wall of the connection hole communicating with the bottom of the wiring groove, and it is difficult to form a barrier film. For this reason, not only Cu diffuses from the via formed in the connection hole into the insulating film, but also the adhesion between the insulating film and the via is poor, so that the electromigration resistance cannot be secured. The problem has become apparent. In particular, when the insulating film in which the connection hole is formed contains oxygen, Cu is oxidized by oxygen in the insulating layer due to contact with the via, and the wiring resistance is increased.

本発明は、配線信頼性を向上させるとともに配線の高抵抗化を防止する半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device that improve wiring reliability and prevent an increase in resistance of the wiring.

上述したような目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に設けられた凹部に銅を含む導電層を埋め込む半導体装置の製造方法において、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第1工程では、基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する絶縁膜に、基板に達する凹部を形成する。次に、第2工程では、酸素含有絶縁層を部分的に露出するように凹部の内壁を覆う状態で、絶縁膜上に、導電層からの銅の拡散を防止する第1のバリア膜を形成する。次いで、第3工程では、第1のバリア膜が設けられた凹部の内壁を覆う状態で、銅と銅以外の金属との合金膜を形成する。続いて、第4工程では、凹部を埋め込む状態で、合金膜上に銅を含む導電層を形成するとともに、熱処理を行い、合金膜中の銅以外の金属を凹部の内壁に露出した酸素含有絶縁層中の酸素と反応させて、第1のバリア膜から露出した凹部の内壁を覆う状態で、導電層からの銅の拡散を防止する金属酸化物からなる第2のバリア膜を形成する。   In order to achieve the above-described object, a semiconductor device manufacturing method according to the present invention includes a semiconductor device manufacturing method in which a conductive layer containing copper is embedded in a recess provided in an insulating film on a substrate. The process is performed sequentially. First, in the first step, a recess reaching the substrate is formed in an insulating film having an oxygen-containing insulating layer provided on the substrate. Next, in the second step, a first barrier film for preventing copper diffusion from the conductive layer is formed on the insulating film so as to cover the inner wall of the recess so as to partially expose the oxygen-containing insulating layer. To do. Next, in the third step, an alloy film of copper and a metal other than copper is formed in a state of covering the inner wall of the recess provided with the first barrier film. Subsequently, in the fourth step, a conductive layer containing copper is formed on the alloy film in a state in which the recess is embedded, and heat treatment is performed, and an oxygen-containing insulating material in which the metal other than copper in the alloy film is exposed on the inner wall of the recess A second barrier film made of a metal oxide that prevents diffusion of copper from the conductive layer is formed while reacting with oxygen in the layer to cover the inner wall of the recess exposed from the first barrier film.

このような半導体装置の製造方法によれば、熱処理を行い、合金膜中の銅以外の金属を拡散させて、凹部の内壁に露出した酸素含有絶縁層中の酸素と反応させることで、第1のバリア膜から露出した凹部の内壁を覆う状態で、金属酸化物からなる第2のバリア膜が形成される。これにより、第1のバリア膜の未形成領域を補完する状態で第2のバリア膜が形成されるため、絶縁膜と導電層との間に第1のバリア膜または第2のバリア膜が確実に介在する。よって、凹部内に埋め込まれたCuを含む導電層からのCuの拡散が防止される。   According to such a method for manufacturing a semiconductor device, the first heat treatment is performed by diffusing a metal other than copper in the alloy film and reacting with oxygen in the oxygen-containing insulating layer exposed on the inner wall of the recess. A second barrier film made of a metal oxide is formed so as to cover the inner wall of the recess exposed from the barrier film. As a result, the second barrier film is formed in a state of complementing the unformed region of the first barrier film, so that the first barrier film or the second barrier film is surely provided between the insulating film and the conductive layer. Intervene in. Therefore, diffusion of Cu from the conductive layer containing Cu embedded in the recess is prevented.

また、本発明の半導体装置は、基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する絶縁膜と、絶縁膜に設けられた基板に達する凹部を埋め込む銅を含む導電層と、絶縁膜と導電層との間に部分的に設けられるとともに、導電層からの銅の拡散を防止する第1のバリア膜と、酸素含有絶縁層と導電層との間に第1のバリア膜の未形成領域を補完する状態で設けられるとともに、導電層からの銅の拡散を防止する金属含有酸化物からなる第2のバリア膜とを備えたことを特徴としている。   In addition, the semiconductor device of the present invention includes an insulating film having an oxygen-containing insulating layer provided over a substrate, a conductive layer including copper filling a recess reaching the substrate provided in the insulating film, an insulating film, and a conductive layer. And a first barrier film that prevents diffusion of copper from the conductive layer, and an unformed region of the first barrier film is supplemented between the oxygen-containing insulating layer and the conductive layer. And a second barrier film made of a metal-containing oxide that prevents diffusion of copper from the conductive layer.

このような半導体装置によれば、酸素含有絶縁層と凹部に埋め込まれたCuを含む導電層との間に第1のバリア膜の未形成領域を補完する状態で第2のバリア膜が設けられていることから、絶縁膜と導電層との間に第1のバリア膜または第2のバリア膜が確実に介在する。よって、凹部内に埋め込まれたCuを含む導電層からのCuの拡散が防止される。   According to such a semiconductor device, the second barrier film is provided between the oxygen-containing insulating layer and the conductive layer containing Cu embedded in the recess so as to complement the unformed region of the first barrier film. Therefore, the first barrier film or the second barrier film is surely interposed between the insulating film and the conductive layer. Therefore, diffusion of Cu from the conductive layer containing Cu embedded in the recess is prevented.

以上、説明したように、本発明の半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、凹部内に埋め込まれた導電層からのCuの拡散が防止されることから、凹部が配線溝または接続孔である場合に、この方法により形成された半導体装置のエレクトロマイグレーションを確保できるとともに配線信頼性を向上させることができる。   As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device and the semiconductor device of the present invention, since the diffusion of Cu from the conductive layer embedded in the recess is prevented, the recess is a wiring groove or a connection hole. In some cases, the electromigration of the semiconductor device formed by this method can be ensured and the wiring reliability can be improved.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。各実施形態においては、半導体装置の構成を製造工程順に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each embodiment, the configuration of a semiconductor device will be described in the order of manufacturing steps.

(第1実施形態)
本発明の半導体装置の製造方法に係わる実施の形態の一例を、図1〜図2の製造工程断面図によって説明する。ここでは、例えばデュアルダマシン法により、Cuの多層配線構造を製造する例について説明する。
(First embodiment)
An example of an embodiment relating to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to the manufacturing process sectional views of FIGS. Here, an example of manufacturing a multilayer wiring structure of Cu by, for example, a dual damascene method will be described.

図1(a)に示すように、トランジスタ等の半導体素子が形成された基板11上には、酸化シリコンからなる下地絶縁膜12を介して、例えばメチルシルセスキオキサン(MSQ)からなる層間絶縁膜13aと例えば酸化シリコン(SiO2)からなる層間絶縁膜13bとが順次積層されている。層間絶縁膜13a、13bには配線溝14が設けられており、配線溝14内にはバリア膜15を介して銅からなる下層配線16が設けられていることとする。また、この下層配線16上を含む層間絶縁膜13b上を覆う状態で、例えばSiOCNからなる保護絶縁膜17が10nm〜35nmの膜厚で設けられている。ここまでの構成が請求項の基板に相当する。 As shown in FIG. 1A, on a substrate 11 on which a semiconductor element such as a transistor is formed, an interlayer insulation made of, for example, methyl silsesquioxane (MSQ) is interposed via a base insulating film 12 made of silicon oxide. A film 13a and an interlayer insulating film 13b made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ) are sequentially stacked. It is assumed that a wiring groove 14 is provided in the interlayer insulating films 13 a and 13 b, and a lower layer wiring 16 made of copper is provided in the wiring groove 14 through a barrier film 15. In addition, a protective insulating film 17 made of, for example, SiOCN is provided in a thickness of 10 nm to 35 nm so as to cover the interlayer insulating film 13b including the lower wiring 16. The configuration so far corresponds to the substrate of the claims.

続いて、保護絶縁膜17上に、層間絶縁膜21を形成する。ここで、この層間絶縁膜21の最下層側となる配線層間絶縁膜として、酸素を含む絶縁層(酸素含有絶縁層)21aを70nm〜120nmの膜厚で形成する。酸素含有絶縁層21aとしては、例えば、MSQ、ハイドロシルセスキオキサン(HSQ)およびこれらを多孔質化したポーラスMSQ、ポーラスHSQ等のSiO2よりも誘電率の低い無機材料膜が用いられることとする。後述するように、この酸素含有絶縁層21aには、接続孔が形成される。 Subsequently, an interlayer insulating film 21 is formed on the protective insulating film 17. Here, an insulating layer (oxygen-containing insulating layer) 21a containing oxygen is formed with a film thickness of 70 nm to 120 nm as a wiring interlayer insulating film on the lowermost layer side of the interlayer insulating film 21. As the oxygen-containing insulating layer 21a, for example, an inorganic material film having a lower dielectric constant than that of SiO 2 such as MSQ, hydrosilsesquioxane (HSQ), porous MSQ, porous HSQ, or the like made porous is used. To do. As will be described later, connection holes are formed in the oxygen-containing insulating layer 21a.

次いで、酸素含有絶縁層21a上に、配線間絶縁膜として、酸素を含まない絶縁層(酸素非含有絶縁層)21bを60nm〜120nmの膜厚で形成する。酸素非含有絶縁層21bとしては、例えばポリテトラフルオロエチレン等の有機系ポリマーおよびこのポーラス膜等の有機材料膜、またはα−カーボン膜およびこのポーラス膜等の無機材料膜からなるSiO2よりも誘電率の低い低誘電率膜が用いられることとする。この酸素非含有絶縁層21bには、後工程で配線溝が形成されることとする。 Next, on the oxygen-containing insulating layer 21a, an insulating layer (oxygen-free insulating layer) 21b that does not contain oxygen is formed to a thickness of 60 nm to 120 nm as an inter-wiring insulating film. As the non-oxygen-containing insulating layer 21b, for example, an organic polymer such as polytetrafluoroethylene and an organic material film such as a porous film, or an SiO 2 made of an α-carbon film and an inorganic material film such as a porous film is used. A low dielectric constant film having a low rate is used. A wiring trench is formed in the oxygen-free insulating layer 21b in a later step.

次に、酸素非含有絶縁層21b上に、例えばSiO2からなる保護絶縁層21cを100nm〜140nmの膜厚で形成する。この保護絶縁層21cは、後工程で、酸素含有絶縁層21a、酸素非含有絶縁層21bおよび保護絶縁層21cが順次積層された層間絶縁膜21に、配線溝と配線溝の底部に連通する接続孔を形成し、これらを導電層で埋め込んだ後、CMP法により研磨する際にCMP耐性の低い酸素非含有絶縁層21bの保護膜として形成されるものである。よって、この保護絶縁層21cにも、配線溝が形成される。以上のようにして、ハイブリッド構造の層間絶縁膜21を形成する。 Next, a protective insulating layer 21c made of, for example, SiO 2 is formed with a film thickness of 100 nm to 140 nm on the oxygen-free insulating layer 21b. This protective insulating layer 21c is connected to an interlayer insulating film 21 in which an oxygen-containing insulating layer 21a, an oxygen-free insulating layer 21b, and a protective insulating layer 21c are sequentially stacked in a later process so as to communicate with the wiring groove and the bottom of the wiring groove. When holes are formed, these are filled with a conductive layer, and then polished by the CMP method, they are formed as a protective film for the oxygen-free insulating layer 21b having low CMP resistance. Therefore, a wiring groove is also formed in the protective insulating layer 21c. As described above, the interlayer insulating film 21 having a hybrid structure is formed.

次いで、多段階のドライエッチングを行うことにより、保護絶縁層21c、酸素非含有絶縁層21bに配線溝22を形成するとともに、酸素含有絶縁層21aおよび保護絶縁膜17に配線溝22の底部に連通し、下層配線16に達する接続孔23を形成する。   Next, by performing multistage dry etching, the wiring groove 22 is formed in the protective insulating layer 21c and the oxygen-free insulating layer 21b, and the oxygen-containing insulating layer 21a and the protective insulating film 17 communicate with the bottom of the wiring groove 22 Then, the connection hole 23 reaching the lower layer wiring 16 is formed.

次いで、図1(b)に示すように、例えば遠距離スパッタリング法等の物理的気相成長(Physical Vapor Deposition(PVD))法により、第1のバリア膜24を形成する。この際、スパッタリング法により形成するため、配線溝22の底部に連通する接続孔23の側壁には、成膜成分が到達し難く、接続孔23の側壁を露出するように配線溝22の内壁を覆う状態で、保護絶縁層21c上に第1のバリア膜24が形成される。この際、接続孔23の底部にも第1のバリア膜24は形成される。   Next, as shown in FIG. 1B, a first barrier film 24 is formed by a physical vapor deposition (PVD) method such as a long-distance sputtering method. At this time, since it is formed by the sputtering method, it is difficult for the film forming component to reach the side wall of the connection hole 23 communicating with the bottom of the wiring groove 22, and the inner wall of the wiring groove 22 is formed so as to expose the side wall of the connection hole 23. In a state of covering, the first barrier film 24 is formed on the protective insulating layer 21c. At this time, the first barrier film 24 is also formed at the bottom of the connection hole 23.

ここで、後工程で形成される第2のバリア膜は、層間絶縁膜21中の酸素と反応させて形成されるため、この第1のバリア膜24は、酸素非含有絶縁層21bが露出される配線溝22の内壁を十分に覆う状態で、例えば5nm程度の膜厚で形成されることとする。この際、配線溝22の側壁の下層側が十分に覆われるように第1のバリア膜24を形成する。   Here, since the second barrier film formed in a later step is formed by reacting with oxygen in the interlayer insulating film 21, the first barrier film 24 exposes the oxygen-free insulating layer 21b. The inner wall of the wiring groove 22 is sufficiently covered with a thickness of, for example, about 5 nm. At this time, the first barrier film 24 is formed so that the lower layer side of the side wall of the wiring trench 22 is sufficiently covered.

なお、ここでは、通常の遠距離スパッタリング法により第1のバリア膜24を形成するが、スパッタリング法により、基板11の法線方向よりも傾斜させた状態の浅い角度から成膜成分を配線溝22に入射して、配線溝22の内壁のみに第1のバリア膜24を形成することが好ましい。この場合には、接続孔23の側壁を確実に露出させることができるとともに、接続孔23の底部に第1のバリア膜24はほとんど形成されない。   Here, the first barrier film 24 is formed by a normal long-distance sputtering method. However, the film-forming component is formed from a shallow angle in a state inclined with respect to the normal direction of the substrate 11 by the sputtering method. The first barrier film 24 is preferably formed only on the inner wall of the wiring groove 22. In this case, the side wall of the connection hole 23 can be reliably exposed, and the first barrier film 24 is hardly formed on the bottom of the connection hole 23.

ここで、後述するように、配線溝22内にはCu配線が形成されることから、上記第1のバリア膜24には、Cuの拡散を防止するとともにCuとの密着性に優れた材料が用いられる。このような材料としては、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)、窒化チタンシリサイド(TiSiN)、タングステン(W)、窒化タングステン(WN)、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)などが適用できる。また、これらの膜を2種以上組み合わせた積層膜で第1のバリア膜24を形成してもよい。   Here, as will be described later, since Cu wiring is formed in the wiring groove 22, the first barrier film 24 is made of a material that prevents diffusion of Cu and has excellent adhesion to Cu. Used. As such a material, titanium (Ti), titanium nitride (TiN), titanium nitride silicide (TiSiN), tungsten (W), tungsten nitride (WN), tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), or the like can be applied. . Further, the first barrier film 24 may be formed of a laminated film in which two or more of these films are combined.

なお、ここでは、遠距離スパッタリング法により第1のバリア膜24を形成することとしたが、イオン化スパッタリング法、遠距離イオン化スパッタリング法、高圧イオン化スパッタリング法等の他のPVD法により形成してもよい。   Here, the first barrier film 24 is formed by a long distance sputtering method, but may be formed by other PVD methods such as an ionization sputtering method, a long distance ionization sputtering method, and a high pressure ionization sputtering method. .

続いて、図1(c)に示すように、上記第1のバリア膜24が設けられた配線溝22と接続孔23との内壁を覆う状態で、Cuとマンガン(Mn)との合金膜(CuMn合金膜)25を形成する。ここで、Cuとの合金膜を形成する金属材料としては、Cu中の拡散速度がCuより速く、その酸化物がCuの拡散防止効果を有するとともにCuとの密着性の高い金属材料を用いることとする。これにより、後工程で、配線溝22および接続孔23にCu層を埋め込んだ後の熱処理により、Cuが接続孔23の側壁に露出された酸素含有絶縁層21aに拡散される前に、Mnが拡散される。そして、Mnが酸素含有絶縁層21a中の酸素と反応することで、Mn含有酸化物からなる第2のバリア膜が形成される。   Subsequently, as shown in FIG. 1C, an alloy film of Cu and manganese (Mn) (covering the inner wall of the wiring groove 22 provided with the first barrier film 24 and the connection hole 23 ( CuMn alloy film) 25 is formed. Here, as a metal material for forming an alloy film with Cu, a metal material having a diffusion rate in Cu higher than that of Cu, an oxide having an effect of preventing diffusion of Cu, and high adhesion to Cu is used. And Thereby, in a later step, Mn is diffused before Cu is diffused into the oxygen-containing insulating layer 21a exposed on the side wall of the connection hole 23 by heat treatment after the Cu layer is embedded in the wiring groove 22 and the connection hole 23. Diffused. Then, when Mn reacts with oxygen in the oxygen-containing insulating layer 21a, a second barrier film made of an Mn-containing oxide is formed.

なお、ここでは、合金膜を構成するCu以外の金属材料としてMnを用いることとするが、Cu中の拡散速度がCuより速く、その酸化物がCuの拡散防止効果を有するとともにCuとの密着性が高い金属材料であれば、これに限定されるものではない。このような金属材料としては、上記Mnの他に、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、イットリウム(Y)、テクネチウム(Tc)、レニウム(Re)等が挙げられる。   Here, although Mn is used as a metal material other than Cu constituting the alloy film, the diffusion rate in Cu is faster than that of Cu, and the oxide has an effect of preventing diffusion of Cu and adheres to Cu. The metal material is not limited to this as long as it is a highly metallic material. Examples of such metal materials include niobium (Nb), zirconium (Zr), chromium (Cr), vanadium (V), yttrium (Y), technetium (Tc), rhenium (Re) and the like in addition to Mn. Can be mentioned.

このCuMn合金膜25は、後述する電界メッキのシード層としても機能するため、膜厚は配線寸法に応じて埋め込み配線達成に適当な厚さ5nm〜80nmに調整する。ここでは、60nmの膜厚のCuMn合金膜25を形成することとする。この際、接続孔23の側壁は覆われるように、CuMn合金膜25を形成する。ただし、後工程で、熱処理によりCuMn合金膜25中のMnを拡散させて、酸素含有絶縁層21a中の酸素と反応させることで、Mn含有酸化物からなる第2のバリア膜を形成するため、接続孔23の内壁を覆うCuMn合金膜25は均一な膜厚でなくてもよい。   Since this CuMn alloy film 25 also functions as a seed layer for electroplating, which will be described later, the film thickness is adjusted to a thickness of 5 nm to 80 nm suitable for achieving embedded wiring according to the wiring dimensions. Here, the CuMn alloy film 25 having a thickness of 60 nm is formed. At this time, the CuMn alloy film 25 is formed so as to cover the side wall of the connection hole 23. However, in the subsequent step, Mn in the CuMn alloy film 25 is diffused by heat treatment and reacted with oxygen in the oxygen-containing insulating layer 21a to form a second barrier film made of Mn-containing oxide. The CuMn alloy film 25 covering the inner wall of the connection hole 23 may not have a uniform film thickness.

ここでは、Cu中にMnを原子濃度0.5%〜20%となるように添加したCuMn合金ターゲットを用いて、スパッタリング法により成膜する。上記範囲の原子濃度でMnをCuMn合金ターゲット中に含有させることで、Cu中にMnを固溶状態で存在させることができる。また、上記範囲内でMnが高濃度で含有される方が、微細化にともないシード層が薄くなった場合にも、Mn含有酸化物からなる第2のバリア膜を確実に形成できるため、好ましい。ここでは、例えば2atm%Mnターゲットを用いることとする。なお、ここではスパッタリング法によりCuMn合金膜25を形成することとしたが、化学的気相成長(Chemical Vapor Deposition(CVD))法または原子層蒸着(Atomic Layer Deposition(ALD))法により形成してもよい。   Here, a film is formed by a sputtering method using a CuMn alloy target in which Mn is added to Cu so as to have an atomic concentration of 0.5% to 20%. By containing Mn in the CuMn alloy target at an atomic concentration within the above range, Mn can be present in a solid solution state in Cu. In addition, it is preferable that Mn is contained at a high concentration within the above-mentioned range because the second barrier film made of Mn-containing oxide can be reliably formed even when the seed layer is thinned with miniaturization. . Here, for example, a 2 atm% Mn target is used. Here, the CuMn alloy film 25 is formed by the sputtering method, but it is formed by the chemical vapor deposition (CVD) method or the atomic layer deposition (ALD) method. Also good.

次いで、図2(d)に示すように、電解メッキ法により、配線溝22および接続孔23を埋め込む状態で、0.5μm〜1.2μmのCuからなる導電層26を堆積する。なお、ここでは、Cuからなる導電層26を形成することとするが、導電層26はCuのCu以外の金属との合金膜であってもよく、Cu以外の金属としては、Cu中に含有させても配線が高抵抗化しない材料を用いることとする。   Next, as shown in FIG. 2D, a conductive layer 26 made of 0.5 μm to 1.2 μm of Cu is deposited by electrolytic plating while filling the wiring groove 22 and the connection hole 23. Here, the conductive layer 26 made of Cu is formed. However, the conductive layer 26 may be an alloy film of Cu with a metal other than Cu, and the metal other than Cu is contained in Cu. A material that does not increase the resistance of the wiring even when the wiring is used is used.

次いで、図2(e)に示すように、200℃〜400℃で5分〜30分、例えば300℃で5分の熱処理を行う。この際、この熱処理を酸素を含む不活性ガス雰囲気下で、行うことが好ましく、ここでは、酸素を体積比で1ppm〜10%含む窒素雰囲気下で熱処理を行うこととする。   Next, as shown in FIG. 2 (e), heat treatment is performed at 200 ° C. to 400 ° C. for 5 minutes to 30 minutes, for example, 300 ° C. for 5 minutes. At this time, this heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere containing oxygen. Here, the heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere containing 1 ppm to 10% by volume of oxygen.

これにより、CuMn合金膜25(前記図2(d)参照)からMnが拡散されて、接続孔23の内壁に露出する酸素含有絶縁層21a中の酸素と反応する。そして、第1のバリア膜24から露出した接続孔23の側壁に、Mn含有酸化物からなる第2のバリア膜27が2nm〜4nmの膜厚で形成される。ここでは、酸素含有絶縁層21aがMSQで形成されており、MnがSiとも反応するため、上記第2のバリア膜27を構成するMn含有酸化物の組成は、MnxSiyz(x:y:zが1:1:3乃至1:3:5)で表される。 As a result, Mn is diffused from the CuMn alloy film 25 (see FIG. 2D) and reacts with oxygen in the oxygen-containing insulating layer 21 a exposed on the inner wall of the connection hole 23. Then, a second barrier film 27 made of Mn-containing oxide is formed with a film thickness of 2 nm to 4 nm on the side wall of the connection hole 23 exposed from the first barrier film 24. Here, since the oxygen-containing insulating layer 21a is formed of MSQ, and Mn also reacts with Si, the composition of the Mn-containing oxide constituting the second barrier film 27 is Mn x Si y O z (x : Y: z is represented by 1: 1: 3 to 1: 3: 5).

また、上記熱処理を酸素を含む雰囲気下で行うことで、第2のバリア膜27の形成に必要なMn以外の過剰なMnは、導電層26の表面で雰囲気中の酸素と反応し、MnO膜27’が形成される。このMnO膜27’は後工程で除去されるため、配線またはヴィア中にMnが残存することによる高抵抗化が防止される。   Further, by performing the heat treatment in an atmosphere containing oxygen, excess Mn other than Mn necessary for forming the second barrier film 27 reacts with oxygen in the atmosphere on the surface of the conductive layer 26, and the MnO film 27 'is formed. Since the MnO film 27 ′ is removed in a later process, the increase in resistance due to Mn remaining in the wiring or via is prevented.

その後、図2(f)に示すように、例えば化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing(CMP))法により、保護絶縁層21cの中程まで、MnO膜27’(前記図2(e)参照)、導電層26(前記図2(e)参照)、第1のバリア膜24および保護絶縁層21cを研磨して除去することで、配線溝22および接続孔23にCuからなる配線28とヴィア29とをそれぞれ形成する。以上説明した図1(a)〜図2(f)までの工程を繰り返すことで、Cuの多層配線構造を完成させる。   Thereafter, as shown in FIG. 2 (f), the MnO film 27 ′ (see FIG. 2 (e), for example) is formed up to the middle of the protective insulating layer 21c by, for example, chemical mechanical polishing (CMP). ), The conductive layer 26 (see FIG. 2E), the first barrier film 24 and the protective insulating layer 21c are removed by polishing, so that the wiring 28 and vias made of Cu are formed in the wiring grooves 22 and the connection holes 23. 29, respectively. By repeating the steps from FIG. 1A to FIG. 2F described above, a Cu multilayer wiring structure is completed.

このような半導体装置の製造方法およびこれにより得られた半導体装置によれば、熱処理を行い、CuMn合金膜中25のMnを拡散させて、接続孔23の側壁に露出した酸素含有絶縁層21a中の酸素と反応させる。これにより、第1のバリア膜24から露出した接続孔23の側壁を覆う状態で、Mn含有酸化物からなる第2のバリア膜27が形成される。よって、層間絶縁膜21と配線28およびヴィア29の間に第1のバリア膜24または第2のバリア膜27が確実に介在するため、配線28およびヴィア29からのCuの拡散が防止されるとともに、Cuの酸化が防止される。したがって、この方法により形成された半導体装置のエレクトロマイグレーション耐性を確保し、配線信頼性を向上させることができるとともに、配線の高抵抗化を防ぐことができる。   According to such a method of manufacturing a semiconductor device and the semiconductor device obtained thereby, in the oxygen-containing insulating layer 21a exposed to the side wall of the connection hole 23 by performing heat treatment to diffuse Mn in the CuMn alloy film. React with oxygen. As a result, the second barrier film 27 made of Mn-containing oxide is formed in a state of covering the side wall of the connection hole 23 exposed from the first barrier film 24. Therefore, since the first barrier film 24 or the second barrier film 27 is surely interposed between the interlayer insulating film 21 and the wiring 28 and the via 29, diffusion of Cu from the wiring 28 and the via 29 is prevented. Cu oxidation is prevented. Therefore, the electromigration resistance of the semiconductor device formed by this method can be secured, the wiring reliability can be improved, and the high resistance of the wiring can be prevented.

また、本実施形態によれば、MnOからなる第2のバリア膜27とCuからなる配線28およびヴィア29との密着性が高いことから、これによってもエレクトロマイグレーション耐性を確保することができる。   In addition, according to the present embodiment, since the adhesion between the second barrier film 27 made of MnO and the wirings 28 and vias 29 made of Cu is high, electromigration resistance can be ensured also by this.

なお、本実施形態では、図2(e)を用いて説明したように、CuMn合金膜が設けられた配線溝22および接続孔23を導電層26で埋め込んだ後、熱処理を行い、第2のバリア膜27を形成する例について説明したが、CuMn合金膜を形成した後、配線溝22および接続孔23を導電層26で埋め込む前に熱処理を行い、Mnを接続孔23の側壁に露出した酸素含有絶縁層21a中の酸素と反応させて、Mn含有酸化物からなる第2のバリア膜27を形成してもよい。ただし、この場合には、熱処理によりシード層が凝集して、その後の埋め込み不良を起こさないように、熱処理の温度および時間を調整することが好ましい。   In the present embodiment, as described with reference to FIG. 2E, after the wiring groove 22 and the connection hole 23 provided with the CuMn alloy film are filled with the conductive layer 26, heat treatment is performed, Although the example of forming the barrier film 27 has been described, after the CuMn alloy film is formed, heat treatment is performed before the wiring groove 22 and the connection hole 23 are filled with the conductive layer 26, and Mn is exposed to the side wall of the connection hole 23. The second barrier film 27 made of Mn-containing oxide may be formed by reacting with oxygen in the containing insulating layer 21a. However, in this case, it is preferable to adjust the temperature and time of the heat treatment so that the seed layer does not aggregate due to the heat treatment and subsequent filling failure occurs.

また、本実施形態では、層間絶縁膜21が酸素非含有絶縁層21bを含む例について説明したが、層間絶縁膜21が酸素を含有する絶縁層のみで形成されていても本発明は適用可能である。   In the present embodiment, the example in which the interlayer insulating film 21 includes the oxygen-free insulating layer 21b has been described. However, the present invention can be applied even if the interlayer insulating film 21 is formed only of an insulating layer containing oxygen. is there.

また、本実施形態では、下層配線16上よりも上層の配線28およびヴィア29の形成方法を例にとって説明したが、同様の方法により、下層配線16とその底部に連通するヴィア(図示省略)を形成することも可能である。   In the present embodiment, the method of forming the upper layer wiring 28 and the via 29 over the lower layer wiring 16 has been described as an example. However, the lower layer wiring 16 and a via (not shown) communicating with the bottom thereof are formed by the same method. It is also possible to form.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について、図3〜図4の製造工程断面図を用いて説明する。なお、第1実施形態と同様の構成には同一の番号を付して説明し、第1のバリア膜24を形成するまでの工程は同様に行なわれることとする。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described using the manufacturing process sectional views of FIGS. The same components as those in the first embodiment are described with the same reference numerals, and the steps until the first barrier film 24 is formed are performed in the same manner.

図3(a)に示すように、第1実施形態と同様に、配線溝22の内壁と接続孔23の底部を覆う状態で、保護絶縁層21c上に第1のバリア膜24を形成する。   As shown in FIG. 3A, as in the first embodiment, the first barrier film 24 is formed on the protective insulating layer 21c so as to cover the inner wall of the wiring groove 22 and the bottom of the connection hole 23.

次に、図3(b)に示すように、アルゴン(Ar)を用いた逆スパッタリング法、または反応性イオンエッチング(RIE)法により、接続孔23の底部に設けられた第1のバリア膜を除去する。これにより、後工程で接続孔23の内部に形成するヴィアと下層配線16との間に第1のバリア膜24が介在しないため、第1実施形態と比較して配線の低抵抗化を図ることができるため、好ましい。   Next, as shown in FIG. 3B, the first barrier film provided at the bottom of the connection hole 23 is formed by reverse sputtering using argon (Ar) or reactive ion etching (RIE). Remove. Thus, since the first barrier film 24 is not interposed between the via formed in the connection hole 23 in the later process and the lower layer wiring 16, the resistance of the wiring can be reduced as compared with the first embodiment. Is preferable.

この後の工程は、第1実施形態と同様の方法により行うこととする。すなわち、図3(c)に示すように、上記第1のバリア膜24が設けられた配線溝22と接続孔23との内壁を覆う状態で、Cuとマンガン(Mn)との合金膜(CuMn合金膜)25を形成する。次いで、図4(d)に示すように、電解メッキ法により、配線溝22および接続孔23を埋め込む状態で、Cuからなる導電層26を堆積する。続いて、図4(e)に示すように、熱処理を行うことで、酸素含有絶縁層21aが露出された接続孔23の側壁を覆う状態で、Mn含有酸化物からなる第2のバリア膜27を形成する。その後、図4(f)に示すように、保護絶縁層21cの途中までを研磨により除去することで、配線溝22および接続孔23に配線28とヴィア29とをそれぞれ形成する。Cuの多層配線構造を完成させる。   The subsequent steps are performed by the same method as in the first embodiment. That is, as shown in FIG. 3C, an alloy film (CuMn) of Cu and manganese (Mn) in a state of covering the inner wall of the wiring groove 22 provided with the first barrier film 24 and the connection hole 23. Alloy film) 25 is formed. Next, as shown in FIG. 4D, a conductive layer 26 made of Cu is deposited by electrolytic plating in a state where the wiring grooves 22 and the connection holes 23 are embedded. Subsequently, as shown in FIG. 4E, a second barrier film 27 made of an Mn-containing oxide is formed by performing a heat treatment so as to cover the side wall of the connection hole 23 where the oxygen-containing insulating layer 21a is exposed. Form. Thereafter, as shown in FIG. 4 (f), part of the protective insulating layer 21c is removed by polishing, thereby forming wirings 28 and vias 29 in the wiring grooves 22 and the connection holes 23, respectively. A Cu multilayer wiring structure is completed.

このような半導体装置の製造方法およびこれにより得られた半導体装置であっても、層間絶縁膜21と配線28およびヴィア29の間に第1のバリア膜24または第2のバリア膜27が確実に介在するため、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。   Even in such a method of manufacturing a semiconductor device and the semiconductor device obtained thereby, the first barrier film 24 or the second barrier film 27 is reliably provided between the interlayer insulating film 21 and the wiring 28 and via 29. Since it is interposed, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

また、本実施形態によれば、下層配線16とヴィア29との間に第1のバリア膜24が介在しないため、配線を低抵抗化できる。   Further, according to the present embodiment, since the first barrier film 24 is not interposed between the lower layer wiring 16 and the via 29, the resistance of the wiring can be reduced.

(変形例1)
第2実施形態の変形例1として、図5に示すように、酸素含有絶縁層21aと酸素非含有絶縁層21bとの間に、例えば窒化シリコン(SiN)または炭化シリコン(SiC)からなるエッチングストッパー膜31を形成し、エッチングストッパー膜31と酸素含有絶縁層21aと保護絶縁膜17に下層配線16に達する接続孔23を形成した構成であってもよい。
(Modification 1)
As a first modification of the second embodiment, as shown in FIG. 5, an etching stopper made of, for example, silicon nitride (SiN) or silicon carbide (SiC) between the oxygen-containing insulating layer 21a and the oxygen-free insulating layer 21b. A structure in which the film 31 is formed and the connection hole 23 reaching the lower layer wiring 16 is formed in the etching stopper film 31, the oxygen-containing insulating layer 21a, and the protective insulating film 17 may be employed.

このような半導体装置の製造方法および半導体装置であっても、層間絶縁膜21と配線28およびヴィア29の間に第1のバリア膜24または第2のバリア膜27が確実に介在するため、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。また、SiO2よりも比誘電率の高いSiNまたはSiCからなるエッチングストッパー膜31が設けられることにより、配線間容量は増大するものの、加工制御性よく、配線溝22と接続孔23とを形成することができる。 Even in such a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device, the first barrier film 24 or the second barrier film 27 is reliably interposed between the interlayer insulating film 21, the wiring 28, and the via 29. The same effects as in the first embodiment can be obtained. Further, by providing the etching stopper film 31 made of SiN or SiC having a relative dielectric constant higher than that of SiO 2 , the wiring trench 22 and the connection hole 23 are formed with good process controllability although the inter-wiring capacity increases. be able to.

(変形例2)
第2実施形態の変形例2として、変形例1と同様に、酸素含有絶縁層21aと酸素非含有絶縁層21bとの間に、SiNまたはSiCからなるエッチングストッパー膜31を形成し、配線28が形成される配線間絶縁膜を酸素非含有絶縁層21bのみで形成する構成であってもよい。この場合には、酸素非含有絶縁層21bにCMP耐性の高い材料が用いられることとする。
(Modification 2)
As a second modification of the second embodiment, as in the first modification, an etching stopper film 31 made of SiN or SiC is formed between the oxygen-containing insulating layer 21a and the oxygen-free insulating layer 21b, and the wiring 28 is formed. The inter-wiring insulating film to be formed may be formed of only the oxygen-free insulating layer 21b. In this case, a material having high CMP resistance is used for the oxygen-free insulating layer 21b.

このような半導体装置の製造方法および半導体装置であっても、層間絶縁膜21と配線28およびヴィア29の間に第1のバリア膜24または第2のバリア膜27が確実に介在するため、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。また、変形例1の半導体装置と比較して、比誘電率が比較的高いSiO2からなる保護絶縁層21c(前記図5参照)が設けられていないことから、配線間容量を低減させることができる。 Even in such a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device, the first barrier film 24 or the second barrier film 27 is reliably interposed between the interlayer insulating film 21, the wiring 28, and the via 29. The same effects as in the first embodiment can be obtained. Further, since the protective insulating layer 21c (see FIG. 5) made of SiO 2 having a relatively high relative dielectric constant is not provided as compared with the semiconductor device of Modification 1, the inter-wiring capacitance can be reduced. it can.

(変形例3)
第2実施形態の変形例3として、配線28が形成される配線間絶縁膜を酸素非含有絶縁層21bのみで形成する構成であってもよい。この場合には、酸素非含有絶縁層21bにCMP耐性の高い材料が用いられることとする。
(Modification 3)
As a third modification of the second embodiment, the inter-wiring insulating film in which the wiring 28 is formed may be formed of only the oxygen-free insulating layer 21b. In this case, a material having high CMP resistance is used for the oxygen-free insulating layer 21b.

このような半導体装置の製造方法および半導体装置であっても、層間絶縁膜21と配線28およびヴィア29の間に第1のバリア膜24または第2のバリア膜27が確実に介在するため、第2実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第2実施形態の半導体装置と比較して、SiO2からなる保護絶縁層21c(前記図2(f)参照が設けられていないことから、配線間容量を低減させることができる。 Even in such a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device, the first barrier film 24 or the second barrier film 27 is reliably interposed between the interlayer insulating film 21, the wiring 28, and the via 29. The same effects as in the second embodiment can be obtained. As compared with the semiconductor device of the second embodiment, since the protective insulating layer 21c made of SiO 2 (FIG. 2 (f) reference is not provided, it is possible to reduce the inter-wiring capacitance.

本発明の半導体装置の製造方法に係る第1実施形態を説明するための製造工程断面図(その1)である。FIG. 6 is a manufacturing process cross-sectional view (No. 1) for describing the first embodiment of the semiconductor device manufacturing method of the present invention; 本発明の半導体装置の製造方法に係る第1実施形態を説明するための製造工程断面図(その2)である。FIG. 6 is a manufacturing process sectional view (No. 2) for describing the first embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device of the invention; 本発明の半導体装置の製造方法に係る第2実施形態を説明するための製造工程断面図(その1)である。It is manufacturing process sectional drawing (the 1) for describing 2nd Embodiment which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法に係る第2実施形態を説明するための製造工程断面図(その2)である。It is manufacturing process sectional drawing (the 2) for describing 2nd Embodiment which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置に係る第2実施形態の変形例1を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the modification 1 of 2nd Embodiment which concerns on the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置に係る第2実施形態の変形例2を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the modification 2 of 2nd Embodiment which concerns on the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置に係る第2実施形態の変形例3を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the modification 3 of 2nd Embodiment which concerns on the semiconductor device of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11…基板、21…層間絶縁膜、21a…酸素含有絶縁層、21b…酸素非含有絶縁層、22…配線溝、23…接続孔、24…第1のバリア膜、25…CuMn合金膜、27…第2のバリア膜、28…配線、29…ヴィア   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Board | substrate, 21 ... Interlayer insulating film, 21a ... Oxygen-containing insulating layer, 21b ... Oxygen-free insulating layer, 22 ... Wiring groove, 23 ... Connection hole, 24 ... First barrier film, 25 ... CuMn alloy film, 27 ... second barrier film, 28 ... wiring, 29 ... via

Claims (8)

基板上の絶縁膜に設けられた凹部に銅を含む導電層を埋め込む半導体装置の製造方法において、
前記基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する前記絶縁膜に、前記基板に達する前記凹部を形成する第1工程と、
前記酸素含有絶縁層を部分的に露出するように、前記凹部の内壁を覆う状態で、前記絶縁膜上に、前記導電層からの銅の拡散を防止する第1のバリア膜を形成する第2工程と、
前記第1のバリア膜が設けられた前記凹部の内壁を覆う状態で、銅と銅以外の金属とからなる合金膜を形成する第3工程と、
前記凹部を埋め込む状態で、前記合金膜上に銅を含む前記導電層を形成するとともに、熱処理を行い、前記合金膜中の銅以外の金属を前記凹部の内壁に露出した前記酸素含有絶縁層中の酸素と反応させて、前記第1のバリア膜から露出した前記凹部の内壁に、前記導電層からの銅の拡散を防止する金属含有酸化物からなる第2のバリア膜を形成する第4工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device in which a conductive layer containing copper is embedded in a recess provided in an insulating film on a substrate,
A first step of forming the recess reaching the substrate in the insulating film having an oxygen-containing insulating layer provided on the substrate;
Forming a first barrier film for preventing copper diffusion from the conductive layer on the insulating film so as to cover the inner wall of the recess so as to partially expose the oxygen-containing insulating layer; Process,
A third step of forming an alloy film made of copper and a metal other than copper in a state of covering an inner wall of the recess provided with the first barrier film;
In the oxygen-containing insulating layer in which the conductive layer containing copper is formed on the alloy film in a state of embedding the recess, and heat treatment is performed to expose a metal other than copper in the alloy film on the inner wall of the recess. A fourth step of forming a second barrier film made of a metal-containing oxide for preventing copper diffusion from the conductive layer on the inner wall of the recess exposed from the first barrier film by reacting with oxygen A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属はマンガンである
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 1,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the metal is manganese.
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記第4工程では、前記導電層を形成した後、前記第2の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。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
In the fourth step, the second barrier film is formed after the conductive layer is formed. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein:
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1工程の前に、基板上に少なくとも下層側が前記酸素含有絶縁層からなる前記絶縁膜を形成する工程を行い、
前記第1工程では、前記絶縁膜の上層側に配線溝を形成するとともに、前記下層側の前記酸素含有絶縁層に前記配線溝の底部に連通する接続孔を形成することで、前記配線溝と前記接続孔とからなる前記凹部を形成し、
前記第2工程では、前記接続孔の側壁を露出するように、前記配線溝の内壁を覆う状態で、前記第1のバリア膜を形成し、
前記第4工程では、前記第1のバリア膜から露出した前記接続孔の側壁に、第2の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。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
Before the first step, performing a step of forming the insulating film at least on the lower layer side of the oxygen-containing insulating layer on the substrate,
In the first step, a wiring groove is formed on the upper layer side of the insulating film, and a connection hole that communicates with the bottom of the wiring groove is formed in the oxygen-containing insulating layer on the lower layer side. Forming the recess comprising the connection hole;
In the second step, the first barrier film is formed so as to cover the inner wall of the wiring groove so as to expose the side wall of the connection hole,
In the fourth step, a second barrier film is formed on a side wall of the connection hole exposed from the first barrier film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2工程と前記第3工程との間に、
前記接続孔の底部に形成された前記第1のバリア膜を除去する工程を行う
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 4,
Between the second step and the third step,
A process for removing the first barrier film formed on the bottom of the connection hole is performed. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記絶縁膜の上層側は、酸素非含有絶縁層を有している
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 4,
An upper layer side of the insulating film has an oxygen-free insulating layer. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項6記載の半導体装置の製造方法において、
前記酸素含有絶縁層は無機系材料で構成されており、
前記酸素非含有絶縁層は有機系材料で構成されている
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6.
The oxygen-containing insulating layer is made of an inorganic material,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the oxygen-free insulating layer is made of an organic material.
基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜に設けられた前記基板に達する凹部を埋め込む銅を含む導電層と、
前記絶縁膜と前記導電層との間に部分的に設けられるとともに、前記導電層からの銅の拡散を防止する第1のバリア膜と
前記酸素含有絶縁層と前記導電層との間に前記第1のバリア膜の未形成領域を補完する状態で設けられるとともに、前記導電層からの銅の拡散を防止する金属含有酸化物からなる第2のバリア膜とを備えた
ことを特徴とする半導体装置。

An insulating film having an oxygen-containing insulating layer provided on the substrate;
A conductive layer containing copper that fills a recess reaching the substrate provided in the insulating film;
A first barrier film provided between the insulating film and the conductive layer and preventing diffusion of copper from the conductive layer; and the first barrier film between the oxygen-containing insulating layer and the conductive layer. And a second barrier film made of a metal-containing oxide that prevents diffusion of copper from the conductive layer, and is provided in a state of complementing the unformed region of the first barrier film. .

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