JP2007180313A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
近年、半導体装置の高速化に対する要請から、配線材料として銅等の低抵抗材料が利用されるようになってきた。配線材料として銅を用いた場合、銅が絶縁層中に拡散するのを防ぐために、銅配線の周囲に拡散防止層(バリアメタル膜)が形成される。 In recent years, a low resistance material such as copper has been used as a wiring material due to a demand for high speed semiconductor devices. When copper is used as the wiring material, a diffusion prevention layer (barrier metal film) is formed around the copper wiring in order to prevent copper from diffusing into the insulating layer.
配線の微細化が進むと半導体装置においてバリアメタル膜が占める割合が多くなり、その材料・特性を適切に選択することが重要になる。配線間の抵抗を抑えるためには、バリアメタル膜を低抵抗材料で構成するとともに、できるだけバリアメタル膜の膜厚を薄くすることが好ましい。 As the wiring becomes finer, the ratio of the barrier metal film in the semiconductor device increases, and it is important to select the material and characteristics appropriately. In order to suppress the resistance between the wirings, it is preferable that the barrier metal film is made of a low resistance material and the thickness of the barrier metal film is made as thin as possible.
特許文献1には、タンタル材料、チタン材料、またはタングステン材料を拡散防止層に使用した構成が開示されている。また、当該文献には、拡散防止層上にRu、Re、Ni、Pd、Os、Ir、Ptからなる群から選択されるいずれか一種、またはこの金属を50%以上含有する合金から形成された接着層が形成された構成が開示されている。当該文献には、拡散防止層上に銅層を形成するために、化学蒸着法により液体形態の銅材料を使用すると、拡散防止層とその上に形成された銅層間の接着性が低下すると記載されている。これは、拡散防止層としてタンタル系合金、チタン系合金、タングステン系合金等を用いた場合、これらの金属が、層間に存在する炭素等の不純物と反応して炭化物を形成することが原因とされている。そのため、このような炭化物を形成しない金属を接着層に用いることにより、銅層との接着性が向上することが期待できる、とされている。
非特許文献1には、バリアメタル膜としてWNxCyを用いることにより、エレクトロマイグレーション耐性が向上することが記載されている。
Non-Patent Document 1, by using the WN x C y as a barrier metal film, electromigration resistance has been described to improve.
近年、銅配線のストレスマイグレーションの発生が問題となりつつある。銅を配線材料として用いた場合、ストレスマイグレーションにより、たとえば下層配線と上層のビアとの界面において、ボイド(空洞)が発生してしまうことがある。このようなボイドが形成されると、配線間の接続不良が引き起こされて半導体装置の歩留が低下したり、長期間の使用により半導体装置が不安定になるという問題が生じる。特許文献1に記載の技術では、このような問題を解決することができない。 In recent years, the occurrence of stress migration of copper wiring has become a problem. When copper is used as a wiring material, voids (cavities) may be generated due to stress migration, for example, at the interface between the lower wiring and the upper via. When such voids are formed, there is a problem that poor connection between wirings is caused and the yield of the semiconductor device is lowered, or the semiconductor device becomes unstable due to long-term use. The technique described in Patent Document 1 cannot solve such a problem.
本発明によれば、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、銅を主成分として含む第1の金属膜と、
絶縁膜上に前記第1の金属膜に接して設けられ、Ru、TaまたはTiを含む第1の層、Wを含む第2の層、およびRu、TaまたはTiを含む第3の層がこの順で形成されたバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜上に前記第3の層に接して設けられ、銅を主成分として含む第2の金属膜と、
を含む半導体装置が提供される。
According to the present invention,
A semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate;
A first metal film formed on the insulating film and containing copper as a main component;
A first layer containing Ru, Ta or Ti, a second layer containing W, and a third layer containing Ru, Ta or Ti are provided on the insulating film in contact with the first metal film. A barrier metal film formed in order;
A second metal film provided on the barrier metal film in contact with the third layer and containing copper as a main component;
A semiconductor device is provided.
バリアメタル膜の材料としてW系材料を用いることにより、非特許文献1に記載されたように、エレクトロマイグレーション耐性を向上させることができる。本発明によれば、バリアメタル膜をWを含む第2の層で構成するとともに、第2の層と第1の金属膜との間にRu、TaまたはTiを含む第1の層が設けられるので、第1の金属膜とバリアメタル膜の密着性を良好にすることができる。これにより、配線のエレクトロマイグレーション耐性を高めるとともに、ストレスマイグレーション耐性を高めることができる。 By using a W-based material as the material of the barrier metal film, as described in Non-Patent Document 1, electromigration resistance can be improved. According to the present invention, the barrier metal film is composed of the second layer containing W, and the first layer containing Ru, Ta, or Ti is provided between the second layer and the first metal film. Therefore, the adhesion between the first metal film and the barrier metal film can be improved. As a result, the resistance to electromigration of the wiring can be increased and the resistance to stress migration can be increased.
また、配線材料として銅を用いるとともにバリアメタル膜の材料としてW系材料を用いると、配線を形成する際のCMP(化学的機械的研磨:chemical mechanical polishing)処理時に、腐食が生じるという課題がある。このような、腐食が発生すると、配線形成に不良が生じ、抵抗の上昇や歩留まりの低下という問題が起こる。本発明によれば、Wを含む第2の層の上にRu、TaまたはTiを含む第3の層が設けられるので、CMP処理時に第2の層が保護され、腐食が生じるのを防ぐことができる。これにより、配線形成の不良を防ぎ、抵抗の上昇や歩留まりの低下を防ぐことができる。 In addition, when copper is used as the wiring material and a W-based material is used as the material of the barrier metal film, there is a problem that corrosion occurs during CMP (chemical mechanical polishing) processing when forming the wiring. . When such corrosion occurs, defects in wiring formation occur, causing problems such as an increase in resistance and a decrease in yield. According to the present invention, since the third layer containing Ru, Ta, or Ti is provided on the second layer containing W, the second layer is protected during the CMP process to prevent corrosion. Can do. Thereby, defective formation of wiring can be prevented, and an increase in resistance and a decrease in yield can be prevented.
本発明によれば、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、銅を主成分として含む第1の金属膜と、
絶縁膜上に前記第1の金属膜に接して設けられた第1の層、Wを含む第2の層および前記第2の層とは異なる材料により構成された第3の層がこの順で形成されたバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜上に前記第3の層に接して設けられ、銅を主成分として含む第2の金属膜と、
を含み、
前記第1の層は、前記第2の層を構成する材料よりも銅との密着性が高い材料により構成された半導体装置が提供される。
According to the present invention,
A semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate;
A first metal film formed on the insulating film and containing copper as a main component;
A first layer provided on the insulating film in contact with the first metal film, a second layer containing W, and a third layer made of a material different from the second layer are arranged in this order. The formed barrier metal film,
A second metal film provided on the barrier metal film in contact with the third layer and containing copper as a main component;
Including
A semiconductor device is provided in which the first layer is made of a material having higher adhesion to copper than the material constituting the second layer.
これにより、配線のエレクトロマイグレーション耐性を高めるとともに、ストレスマイグレーション耐性を高めることができる。 As a result, the resistance to electromigration of the wiring can be increased and the resistance to stress migration can be increased.
本発明の半導体装置において、前記第3の層は、前記第2の層を構成する材料よりも、銅との間の電極電位差が小さい材料により構成することができる。 In the semiconductor device of the present invention, the third layer can be made of a material having a smaller electrode potential difference with respect to copper than the material constituting the second layer.
CMP処理時に腐食が生じる現象は、以下の理由が一因であると考えられる。CMP用研磨液に電解質が溶け込んでいる場合に、銅により構成された金属膜とW系材料により構成されたバリアメタル膜とが接した状態でCMP用研磨液にさらされると、両者の標準電極電位の差異により局部電池が形成される。そのため、両者に電流が流れガルバニック腐食が生じると考えられる。第2の金属膜とバリアメタル膜の第2の層との間に銅との電極電位差が小さい材料により構成された第3の層を設けることにより、ガルバニック腐食の生成を防ぐことができる。これにより、配線形成の不良を防ぎ、抵抗の上昇や歩留まりの低下を防ぐことができる。 The phenomenon that corrosion occurs during the CMP process is considered to be caused by the following reasons. When the electrolyte is dissolved in the CMP polishing liquid, when exposed to the CMP polishing liquid in a state where the metal film made of copper and the barrier metal film made of the W-based material are in contact with each other, the standard electrode of both A local battery is formed by the difference in potential. Therefore, it is considered that a current flows through both of them and galvanic corrosion occurs. By providing a third layer made of a material having a small electrode potential difference with copper between the second metal film and the second layer of the barrier metal film, generation of galvanic corrosion can be prevented. Thereby, defective formation of wiring can be prevented, and an increase in resistance and a decrease in yield can be prevented.
本発明によれば、
半導体基板上に形成された、銅を主成分として含む第1の金属膜上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、前記第1の金属膜に達する凹部を形成する工程と、
前記凹部内に、Ru、TaまたはTiを含む第1の層、Wを含む第2の層、およびRu、TaまたはTiを含む第3の層をこの順で形成して前記凹部の一部を埋め込むバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜上に銅を主成分として含む第2の金属膜を形成する工程と、
前記凹部外部に露出した前記第2の金属膜および前記バリアメタル膜をCMPにより除去する工程と、
を含む半導体装置の製造方法が提供される。
According to the present invention,
Forming an insulating film on a first metal film containing copper as a main component formed on a semiconductor substrate;
Forming a recess reaching the first metal film in the insulating film;
A first layer containing Ru, Ta, or Ti, a second layer containing W, and a third layer containing Ru, Ta, or Ti are formed in this order in this order to form a part of the recess. Forming a buried barrier metal film;
Forming a second metal film containing copper as a main component on the barrier metal film so as to fill the concave portion;
Removing the second metal film and the barrier metal film exposed outside the recess by CMP;
A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
これにより、半導体装置の信頼性を高めることができる。 Thereby, the reliability of the semiconductor device can be improved.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described components, and a conversion of the expression of the present invention between a method and an apparatus are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、配線やビアの構成材料として銅を含む半導体装置の信頼性を高めることができる。 According to the present invention, the reliability of a semiconductor device containing copper as a constituent material for wiring and vias can be improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
図1は、本実施の形態における半導体装置の構成の一部を示す断面図である。
半導体装置100は、半導体基板(不図示)、その上に形成された第1の絶縁層102、その上に形成されたエッチング阻止膜110、その上に形成された第2の絶縁層112およびその上に形成された保護絶縁膜114を含む。半導体装置100は、さらに、第1の絶縁層102に形成されたビア104およびビア104の上にビア104に接続して設けられた配線122を含む。ビア104は、第1の金属膜108およびその周囲に形成された第1のバリアメタル膜106を含む。配線122は、第2の金属膜120およびその周囲に形成された第2のバリアメタル膜118を含む。第1の金属膜108および第2の金属膜120は、銅を主成分として含む。ここで、第1の金属膜は、たとえばビア104とすることができる。この場合、第2の金属膜は、配線122とすることができる。また、第1の金属膜を配線、第2の金属膜をビアとすることもできる。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of the structure of the semiconductor device in this embodiment.
The
本実施の形態において、第1のバリアメタル膜106および第2のバリアメタル膜118は、それぞれ3層構造を有する。第1のバリアメタル膜106は、第1の層106a、第1の層106aと異なる材料により構成された第2の層106bおよび第2の層106bと異なる材料により構成された第3の層106cがこの順で積層された構造を有する。第2のバリアメタル膜118は、第1の金属膜108に接続して設けられた第4の層118a、第4の層118aと異なる材料により構成された第5の層118bおよび第5の層118bと異なる材料により構成された第6の層118cがこの順で積層された構造を有する。
In this embodiment, each of the first
第2の層106bおよび第5の層118bは、W(タングステン)を含む材料により構成することができる。第2の層106bおよび第5の層118bは、たとえば、W、WNまたはWNCにより構成することができる。第2の層106bおよび第5の層118bをWを含む材料により構成することにより、ビア104や配線122のエレクトロマイグレーション耐性を高めることができる。
The
第1の層106aは、第2の層106bを構成する材料よりも銅との密着性が高い材料により構成することができる。第3の層106cは、第2の層106bを構成する材料よりも、銅との間でガルバニック腐食が生じにくい材料により構成することができる。
The
第1の層106aおよび第3の層106cは、たとえば、Ru、TaまたはTiを含む材料により構成することができる。第1の層106aおよび第3の層106cは、たとえば、Ru、TaまたはTiの合金、窒化物、または窒炭化物により構成することができる。第1の層106aおよび第3の層106cは、同じ材料により構成することもでき、異なる材料により構成することもできる。
The
また、第4の層118aおよび第6の層118cは、第1の層106aおよび第3の層106cと同様の材料により構成することができる。第2のバリアメタル膜118の構成例として、以下のようにすることができる。
(1)第4の層118a/第5の層118b/第6の層118c:Ta/WNC/Ta;
(2)第4の層118a/第5の層118b/第6の層118c:Ta/WNC/Ru;
(3)第4の層118a/第5の層118b/第6の層118c:Ru/WNC/Ru。これらは例示であり、種々の組合せとすることができる。
The
(1)
(2)
(3)
第2の絶縁層112は、低誘電率膜により構成することができる。第2の絶縁層112は、たとえば、SiOCにより構成することができる。第1の絶縁層102は、シリコン酸化膜や第2の絶縁層112と同様の低誘電率膜により構成することができる。なお、ここでは図示していないが、第1の絶縁層102は、エッチング阻止膜や保護絶縁膜を含む構成とすることもできる。
The second
エッチング阻止膜110は、SiC、SiCN、SiOC、またはSiONにより構成することができる。保護絶縁膜114は、配線122を形成する際のCMP時に第2の絶縁層112を保護する機能を有する。保護絶縁膜114は、たとえば、シリコン酸化膜により構成することができる。
The
次に、図1に示した半導体装置100の製造手順を説明する。図2および図3は、半導体装置100の製造手順を示す工程断面図である。
まず、半導体基板(不図示)上に第1の絶縁層102を形成する。つづいて、第1の絶縁層102にビアホールを形成し、ビアホール内に第1のバリアメタル膜106を形成する。次いで、ビアホール内に、第1のバリアメタル膜106上に第1の金属膜108を形成する。第1のバリアメタル膜106および第1の金属膜108の形成方法は、後述する第2のバリアメタル膜118および第2の金属膜120の形成方法と同様である。その後、ビアホール外部に露出した第1の金属膜108および第1のバリアメタル膜106をCMPにより除去してビア104を形成する。
Next, a manufacturing procedure of the
First, the first insulating
つづいて、ビア104上に、エッチング阻止膜110、第2の絶縁層112および保護絶縁膜114をCVD法により成膜する。これにより、図2(a)に示した構造が得られる。ここで、エッチング阻止膜110はSiCN、第2の絶縁層112はSiOC、保護絶縁膜114はSiO2により構成することができる。
Subsequently, an
次いで、既知のリソグラフィ技術およびドライエッチングにより、保護絶縁膜114、第2の絶縁層112、およびエッチング阻止膜110に配線溝116を形成する(図2(b))。これにより、ビア104が露出される。
Next, a
その後、半導体基板の全面にALD(Atomic Layer Deposition)法またはPVD(Physical Vapor Deposition)法により、第4の層118a(膜厚約2〜10nm)を形成する。つづいて、第4の層118a上に、ALD法により第5の層118b(膜厚約2〜10nm)を形成する。次いで、第5の層118b上に、ALD法またはPVD法により、第6の層118c(膜厚約2〜10nm)を形成する(図2(c))。
Thereafter, a
その後、第6の層118c上に、スパッタリング法等のPVD法により銅めっきのシード層として銅膜を約35nm〜75nm成膜する。これにより、配線溝116が部分的に埋め込まれる。つづいて、めっき法により銅膜を形成して第2の金属膜120を形成し、配線溝116を埋め込む(図3(a))。めっき法で形成される銅膜の膜厚は、約500nmとすることができる。
Thereafter, a copper film is formed on the
つづいて、CMPにより配線溝116の外部に露出した第2の金属膜120および第2のバリアメタル膜118を除去する。これにより、配線122が形成される(図3(b))。
Subsequently, the
本実施の形態において、W系材料で形成された第5の層118bの上部には第6の層118cが形成されている。そのため、CMP処理時にCMP用研磨液に電解質が溶け込んでいた場合でも、第5の層118bが第6の層118cにより保護されるため、ガルバニック腐食を防ぐことができる。このような観点からは、第6の層118cは、W系材料よりも銅との電極電位差が小さい材料により構成することが好ましい。第3の層106cも同様である。
In this embodiment, a
次いで、配線122上にキャップ絶縁膜124を形成する。キャップ絶縁膜124は、たとえばSiCNにより構成することができる。
Next, a
以上の処理を繰り返すことにより、多層配線構造を形成することができる。 By repeating the above processing, a multilayer wiring structure can be formed.
本実施の形態において、下層のビア104の第1の金属膜108は、第4の層118aが形成されている。これにより、ビア104の第1の金属膜108と第2のバリアメタル膜118との密着性を向上することができる。そのため、ビア104における銅の移動を固定することができ、配線形成後の熱処理時等にビア104と配線122との間にボイドが生じるのを防ぐことができる。このため、配線とビアとの間の断線の発生を防ぐことができ、半導体装置100の信頼性を向上させることができる。
In the present embodiment, a
さらに、第2のバリアメタル膜118において、W系材料で形成された第5の層118bが第6の層118cにより保護されるため、CMP処理時にガルバニック腐食が発生するのを抑えることができる。これにより、半導体装置100の信頼性をさらに向上させることができる。
Furthermore, in the second
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
以上の実施の形態においては、シングルダマシン法で配線を形成する例を示したが、本発明はデュアルダマシン法で配線を形成する場合にも適用することができる。 In the above embodiment, an example in which the wiring is formed by the single damascene method has been shown, but the present invention can also be applied to the case of forming the wiring by the dual damascene method.
以上の実施の形態において、銅めっきのシード層をスパッタリング法等のPVD法により形成する手順を示したが、シード層は、CVD法等他の方法で形成することもできる。 In the above embodiment, the procedure for forming the copper plating seed layer by the PVD method such as the sputtering method has been described. However, the seed layer may be formed by other methods such as the CVD method.
100 半導体装置
102 第1の絶縁層
104 ビア
106 第1のバリアメタル膜
106a 第1の層
106b 第2の層
106c 第3の層
108 第1の金属膜
110 エッチング阻止膜
112 第2の絶縁層
114 保護絶縁膜
118 第2のバリアメタル膜
118a 第4の層
118b 第5の層
118c 第6の層
120 第2の金属膜
122 配線
124 キャップ絶縁膜
100
Claims (7)
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、銅を主成分として含む第1の金属膜と、
前記絶縁膜上に前記第1の金属膜に接して設けられ、Ru、TaまたはTiを含む第1の層、Wを含む第2の層、およびRu、TaまたはTiを含む第3の層がこの順で形成されたバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜上に前記第3の層に接して設けられ、銅を主成分として含む第2の金属膜と、
を含む半導体装置。 A semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate;
A first metal film formed on the insulating film and containing copper as a main component;
A first layer containing Ru, Ta or Ti, a second layer containing W, and a third layer containing Ru, Ta or Ti are provided on the insulating film in contact with the first metal film. A barrier metal film formed in this order;
A second metal film provided on the barrier metal film in contact with the third layer and containing copper as a main component;
A semiconductor device including:
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、銅を主成分として含む第1の金属膜と、
前記絶縁膜上に前記第1の金属膜に接して設けられた第1の層、Wを含む第2の層および前記第2の層とは異なる材料により構成された第3の層がこの順で形成されたバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜上に前記第3の層に接して設けられ、銅を主成分として含む第2の金属膜と、
を含み、
前記第1の層は、前記第2の層を構成する材料よりも銅との密着性が高い材料により構成された半導体装置。 A semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate;
A first metal film formed on the insulating film and containing copper as a main component;
A first layer provided on the insulating film in contact with the first metal film, a second layer containing W, and a third layer made of a material different from the second layer are arranged in this order. A barrier metal film formed by
A second metal film provided on the barrier metal film in contact with the third layer and containing copper as a main component;
Including
The semiconductor device in which the first layer is made of a material having higher adhesion to copper than the material constituting the second layer.
前記第1の層および前記第3の層は、ぞれぞれ、Ru、TaまたはTiを含む材料により構成された半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
Each of the first layer and the third layer is a semiconductor device made of a material containing Ru, Ta, or Ti.
前記第2の層は、W、WNまたはWNCにより構成された半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The second layer is a semiconductor device composed of W, WN, or WNC.
前記絶縁膜に、前記第1の金属膜に達する凹部を形成する工程と、
前記凹部内に、Ru、TaまたはTiを含む第1の層、Wを含む第2の層、およびRu、TaまたはTiを含む第3の層をこの順で形成して前記凹部の一部を埋め込むバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜上に銅を主成分として含む第2の金属膜を形成する工程と、
前記凹部外部に露出した前記第2の金属膜および前記バリアメタル膜をCMPにより除去する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 Forming an insulating film on a first metal film containing copper as a main component formed on a semiconductor substrate;
Forming a recess reaching the first metal film in the insulating film;
A first layer containing Ru, Ta, or Ti, a second layer containing W, and a third layer containing Ru, Ta, or Ti are formed in this order in this order to form a part of the recess. Forming a buried barrier metal film;
Forming a second metal film containing copper as a main component on the barrier metal film so as to fill the concave portion;
Removing the second metal film and the barrier metal film exposed outside the recess by CMP;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
前記CMPにより除去する工程において、電解質を含む研磨液を用いて前記第2の金属膜および前記バリアメタル膜を除去する半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 5,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein, in the step of removing by CMP, the second metal film and the barrier metal film are removed using a polishing liquid containing an electrolyte.
前記第2の金属膜を形成する工程は、PVD法によりシード銅膜を形成する工程と、めっき法により銅膜を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 5 or 6,
The step of forming the second metal film includes a step of forming a seed copper film by a PVD method and a step of forming a copper film by a plating method.
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