JP2007294625A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、さらに詳しくは、銅(Cu)配線を用いて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に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device suitable for forming a multilayer wiring structure using copper (Cu) wiring.
半導体装置の微細化、高集積化に伴い、配線の時定数に起因する電気信号の遅れが深刻な問題となる。このため、多層配線工程で用いられる導電層は、アルミニウム(Al)系合金の配線に代わり、Cu配線が導入されるようになっている。CuはAlなど従来の多層配線構造に使われていた金属材料と違って、ドライエッチングによるパターニングが困難であるため、層間絶縁膜に配線溝を形成しておき、Cuを埋め込むことにより配線パターンを形成するダマシン法が一般に使われている。特に、層間絶縁膜に接続孔と配線溝を形成しておき、Cuの埋め込みを同時に行うデュアルダマシン法は、工程数の削減に有効である(例えば、特許文献1参照)。 With the miniaturization and high integration of semiconductor devices, delays in electrical signals due to wiring time constants become a serious problem. For this reason, Cu wiring is introduced into the conductive layer used in the multilayer wiring process instead of aluminum (Al) alloy wiring. Unlike metal materials used for conventional multilayer wiring structures such as Al, Cu is difficult to pattern by dry etching. Therefore, a wiring groove is formed in the interlayer insulating film, and the wiring pattern is formed by embedding Cu. The forming damascene method is generally used. In particular, a dual damascene method in which a connection hole and a wiring groove are formed in an interlayer insulating film and Cu is buried at the same time is effective in reducing the number of processes (for example, see Patent Document 1).
ダマシン法によるCuを用いた微細配線の形成においては、バリアメタルの段差被覆性、高アスペクト開口部へのCuの埋め込み特性向上が重要な課題となる。現在主流となっているメタライゼーションは、指向性スパッタ法等の物理的気相成長(Physical Vapor Deposition(PVD))法により、タンタル(Ta)系材料のバリア膜とシード層となるCu膜とを順次薄膜形成し、その後電解めっき法によりCu膜の埋め込みを行う製法を用いている。この製法の詳細を決定する上で重要な指標となるのが、配線や接続孔の導通性や低抵抗化を何処まで確保できるかのみならず、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションに代表される配線信頼性を如何に向上できるかである。従って、半導体装置の微細化に対応可能であり、低抵抗、高歩留まりで配線信頼性の高いCuメタライゼーション技術を構築することが急務となっている。 In the formation of fine wiring using Cu by the damascene method, it is important to improve the step coverage of the barrier metal and to improve the filling characteristics of Cu in the high aspect opening. Metallization, which is currently the mainstream, uses a tantalum (Ta) -based material barrier film and a seed Cu layer as a seed layer by physical vapor deposition (PVD), such as directional sputtering. A manufacturing method is used in which a thin film is sequentially formed and then a Cu film is embedded by electrolytic plating. An important index in determining the details of this manufacturing method is not only the degree of continuity and low resistance of wiring and connection holes, but also wiring reliability represented by electromigration and stress migration. It is how it can be improved. Accordingly, there is an urgent need to construct a Cu metallization technology that can cope with the miniaturization of semiconductor devices, has low resistance, high yield, and high wiring reliability.
近年、特に配線信頼性を向上できるCuメタライゼーション向けバリアメタル形成技術として、アンカープロセス(via-punch through process)が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。 In recent years, an anchor process (via-punch through process) has been proposed as a barrier metal formation technique for Cu metallization that can particularly improve wiring reliability (see, for example, Non-Patent Document 1).
上記アンカープロセスを用いたダマシン法によるCu配線の形成方法について、図5〜図6を用いて説明する。まず、図5(a)に示すように、図示しない基板に堆積された下地絶縁膜1上に、炭素含有酸化シリコン(SiOC)膜からなる層間絶縁膜2が形成され、この層間絶縁膜2に形成された配線溝3にバリア膜4を介してCuを埋め込んだ下層配線5が形成されている。また、下層配線5上および層間絶縁膜2上には、Cuの拡散防止膜6として、例えば炭化シリコン(SiC)膜が設けられている。
A method for forming a Cu wiring by the damascene method using the anchor process will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 5A, an interlayer
そして、拡散防止膜6上に、SiOC膜からなる低誘電材料(low−k)層7aと酸化シリコン(SiO2)膜からなるハードマスク層7bとを順次積層してなる層間絶縁膜7を形成する。次いで、本構造の層間絶縁膜7に配線溝8aとこの配線溝8aの底部に連通する接続孔8bとからなるデュアルダマシン開口部8を形成する。その後、接続孔8b底部の拡散防止膜6を除去して、下層配線5を露出させる。
Then, an
次に、図5(b)に示すように、通常の指向性スパッタリング法により、下層配線5を露出させるように、上記デュアルダマシン開口部8の内壁を覆う状態で、ハードマスク層7b上に、窒化タンタル(TaN)からなる第1のバリア膜9を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, on the
この方法としては、例えばTaターゲットが設置された指向性のマグネトロンスパッタリング装置を用いて、まず、所望の基板バイアス、ターゲットDCパワー、窒素/アルゴン流量比の雰囲気下で、TaN膜を全面成膜後、同一チャンバー内で基板バイアスを上げ、フィールド絶縁膜上の成膜とエッチングがプラスマイナスゼロとなるよう設定して所定時間の放電処理を施す。これにより、接続孔8bの底部を除くデュアルダマシン開口部8の内壁およびハードマスク層7b上では、TaN膜をさらに堆積させながら、アスペクト比の高い接続孔8bの底部では、Ta膜堆積よりもバイアスエッチングの成分が大きくなるため、スパッタエッチングにより下層配線5まで選択的に貫通させることが出来る。続いて、スパッタエッチングにより、接続孔8bが下層配線5の内部に達する状態となるまで、接続孔8bの底部に露出された下層配線5を掘り込む。これにより、接続孔8bの側壁に成膜されたバリア膜9の表面に、下層配線5から飛散したCuからなる導電性粒子10が付着する。
As this method, for example, using a directional magnetron sputtering apparatus in which a Ta target is installed, first a TaN film is formed on the entire surface in an atmosphere of a desired substrate bias, target DC power, and nitrogen / argon flow ratio. Then, the substrate bias is raised in the same chamber, and the discharge treatment for a predetermined time is performed by setting the film formation and etching on the field insulating film to be plus or minus zero. As a result, a TaN film is further deposited on the inner wall of the dual damascene opening 8 excluding the bottom of the
その後、図5(c)に示すように、通常の指向性スパッタリング法により、上記導電性粒子10を覆うように、デュアルダマシン開口部8の内壁を覆う状態で、第1のバリア膜9上に、Taからなる第2のバリア膜11を成膜する。続いて、図6(d)に示すように、電解めっき法またはスパッタリング法により、デュアルダマシン開口部8を埋め込む状態で、第2のバリア膜11上にCuからなる導電膜12を形成する。
After that, as shown in FIG. 5C, on the first barrier film 9 in a state of covering the inner wall of the dual damascene opening 8 so as to cover the
次に、図6(e)に示すように、化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing(CMP))法により、配線パターンとして不要な導電膜12(前記図6(d)参照)、第2のバリア膜11および第1のバリア膜9を除去することで、上記配線溝8aに上層配線13を形成するとともに、接続孔8bにヴィア14を形成する。続いて、下層配線5上と同様に、上層配線13からのCuの拡散防止膜15として、例えばSiC膜を上層配線13上およびハードマスク層7b上に形成する。以上説明した図5(a)〜図6(e)の工程を繰り返すことで、デュアルダマシン構造の多層配線構造を形成する。
Next, as shown in FIG. 6E, a
上述したような製造方法により形成された多層配線構造においては、下層配線5にヴィア14の底部が埋め込まれたアンカー形状の配線構造が形成されるため、ヴィア14と下層配線5との接触面積が増大することにより、ヴィア14の下層配線5側を構成する第2のバリア膜11と下層配線5との異種金属界面が安定化し、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション等の配線信頼性の向上が期待できる。
In the multilayer wiring structure formed by the manufacturing method as described above, an anchor-shaped wiring structure in which the bottom of the
しかし、上述したような製造方法では、配線信頼性の向上が明確になる深さ以上に、接続孔8bの底部に露出された下層配線5を掘り込む場合には、接続孔8bの側壁を覆う第1のバリア膜9の表面への導電性粒子10の付着量も増大する。このため、第1のバリア膜9上に成膜する第2のバリア膜11をある程度以上厚く成膜しないと、第2のバリア膜11と接続孔8内に埋め込まれる導電膜12との密着性が悪くなり、密着性の低下に起因するボイドがヴィア14中に発生してしまう、という問題がある。しかし、第2のバリア膜11を厚く成膜し過ぎると、導電膜12を埋め込む際の接続孔8bの間口が狭くなり、埋め込み特性が悪化する。また、第2のバリア膜11を厚く成膜した場合には、上層配線13およびヴィア14に占める導電膜12の割合が減少することから、抵抗上昇等の導通特性の悪化が発生する。したがって、デザインルールの微細化が進むと制御性の観点より、適用困難なプロセスとなってしまう。
However, in the manufacturing method as described above, when the
以上のことから、本発明は、下層配線のスパッタエッチングにより、接続孔の側壁に付着する導電性粒子に起因する不具合を防止するとともに、埋め込み特性および導通特性の悪化を防止する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 As described above, the present invention prevents a problem caused by the conductive particles adhering to the side wall of the connection hole by sputter etching of the lower layer wiring, and also prevents a deterioration of the embedding characteristic and the conduction characteristic. The purpose is to provide.
上記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、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、表面側に第1導電層が設けられた基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に、第1導電層に達する凹部を形成する。次に、第2工程では、凹部の底部を除く内壁を覆う状態で、犠牲膜を形成するとともに、凹部の底部に露出された第1導電層のスパッタエッチングを行う。次いで、第3工程では、犠牲膜の少なくとも表面側を、第1導電層に対して選択的に除去する。その後の第4工程では、犠牲膜の少なくとも表面側が除去された凹部に、第2導電層を埋め込み形成する。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized by sequentially performing the following steps. First, in the first step, an insulating film is formed on a substrate provided with a first conductive layer on the surface side, and a recess reaching the first conductive layer is formed in the insulating film. Next, in the second step, a sacrificial film is formed in a state of covering the inner wall excluding the bottom of the recess, and the first conductive layer exposed at the bottom of the recess is sputter-etched. Next, in the third step, at least the surface side of the sacrificial film is selectively removed with respect to the first conductive layer. In the subsequent fourth step, a second conductive layer is embedded in the recess from which at least the surface side of the sacrificial film has been removed.
このような半導体装置の製造方法によれば、第2工程において、凹部の底部を除く内壁に犠牲膜を形成するとともに、凹部の底部から露出された第1導電層のスパッタエッチングを行った後、第3工程において、犠牲膜の少なくとも表面側を除去することから、第2工程におけるスパッタエッチングにより、第1導電層から飛散し、上記凹部の側壁を覆う犠牲膜に付着した導電性粒子を、犠牲膜とともに除去することが可能となる。これにより、第4工程において、凹部に第2導電層を埋め込み形成する際に、残存した導電性粒子に起因する不具合が防止される。例えば、第3工程と第4工程の間に、凹部の内壁を覆う状態で、第2導電層からの導電材料の拡散を防止するバリア膜を形成する場合には、上記導電性粒子が除去されることで、バリア膜と第2導電層との密着性の低下が防止される。また、上記導電性粒子が除去されることで、バリア膜を厚く形成しなくてもいいことから、第2導電層の埋め込み特性および導通特性の悪化が防止される。 According to such a method for manufacturing a semiconductor device, in the second step, after forming the sacrificial film on the inner wall excluding the bottom of the recess, and performing the sputter etching of the first conductive layer exposed from the bottom of the recess, In the third step, since at least the surface side of the sacrificial film is removed, the conductive particles scattered from the first conductive layer and adhered to the sacrificial film covering the side walls of the recesses are sacrificed by sputter etching in the second step. It can be removed together with the film. Thereby, in the fourth step, when the second conductive layer is buried and formed in the concave portion, problems caused by the remaining conductive particles are prevented. For example, when a barrier film that prevents diffusion of the conductive material from the second conductive layer is formed between the third step and the fourth step so as to cover the inner wall of the recess, the conductive particles are removed. This prevents a decrease in adhesion between the barrier film and the second conductive layer. Further, since the conductive particles are removed, it is not necessary to form a thick barrier film, so that deterioration of embedding characteristics and conduction characteristics of the second conductive layer 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によれば、導電性粒子の残存に起因するバリア膜と第2導電層との密着性の低下が防止されるとともに、第2導電層の埋め込み特性および導通特性の悪化が防止されることから、高性能且つ、高歩留まり、高信頼性の半導体装置を製造することができる。 As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a decrease in the adhesion between the barrier film and the second conductive layer due to the remaining conductive particles is prevented, and the second conductive layer Since deterioration of the embedding characteristic and the conduction characteristic is prevented, a semiconductor device with high performance, high yield, and high reliability can be manufactured.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
本実施形態例は、本発明にかかる半導体装置の製造方法の実施形態の一例であり、デュアルダマシン構造の形成に係わる。以下、図1〜図2の製造工程断面図を用いて本発明の第1実施形態を説明する。なお、背景技術と同様の構成には、同一の番号を付して説明することとする。
(First embodiment)
The present embodiment is an example of an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, and relates to the formation of a dual damascene structure. Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described with reference to the cross-sectional views of the manufacturing steps shown in FIGS. In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to background art.
図1(a)に示すように、図示しない基板に堆積された下地絶縁膜1上に、層間絶縁膜2が形成され、この層間絶縁膜2に形成された配線溝3にバリア膜4を介して、例えばCuを埋め込んだ下層配線5(第1導電層)が形成されている。上記層間絶縁膜2には、一例としてSiOC膜が用いられている。また、下層配線5上および層間絶縁膜2上には、下層配線5からのCuの拡散を防止するための、例えばSiC膜からなる拡散防止膜6が設けられている。この拡散防止膜6は、下層配線5を構成するCuの酸化を防止する酸化防止膜または拡散防止膜6上に形成する層間絶縁膜に接続孔を形成する際のエッチングストッパー膜としても機能する。このSiCからなる拡散防止膜6を成膜する際には、一例として、化学的気相成長(Chemical Vapor Deposition(CVD))法により、平行平板型プラズマCVD装置を用い、その際使用するガスとしては、シリコン源としてメチルシランを用いることとする。
As shown in FIG. 1A, an
そして、上記拡散防止膜6上に、無機の低誘電材料である例えばSiOC膜からなる低誘電材料層7aと例えば酸化シリコン(SiO2)膜からなるハードマスク層7bとを順次積層してなる層間絶縁膜7を形成する。上記SiOC膜からなる低誘電材料層7aを成膜する際には、一例として、平行平板型プラズマCVD装置を用い、その際使用するガスとしては、シリコン源としてメチルシランを用いることとする。
An interlayer formed by sequentially laminating a low
次いで、本構造の層間絶縁膜7に、配線溝8aとこの配線溝8aの底部に連通する接続孔8bとからなるデュアルダマシン開口部8(凹部)を形成する。続いて、接続孔8bの底部の上記拡散防止膜6を除去し、接続孔8bの底部に下層配線5の表面を露出させる。
Next, a dual damascene opening 8 (concave portion) including a
ここで、デュアルダマシン開口部8の形成方法としては、接続孔8bを最初に開口し、その後に配線溝8aを開口する手法を用いることとする。この詳細な形成方法は、例えば、「A Manufacturable Copper/Low-k SiOC/SiCN Process Technology for 90nm-node High Performance eDRAM”」International Interconnect Technology Conference(IITC)2002年p15-17等に開示されている。また、層間絶縁膜7上に形成した積層ハードマスクに配線溝パターンを開口した後に、接続孔8bを途中開口し、その後、上記積層ハードマスクを用いて配線溝8aと接続孔8bを完全開口する手法を用いてもよい。この詳細な形成方法は、例えば特開2004−63859号公報に開示されている。
Here, as a method of forming the
次に、図1(b)に示すように、例えばPVD法により、上記デュアルダマシン開口部8の底部を除く内壁を覆う状態で、ハードマスク層7b上に、例えばチタン(Ti)膜からなる犠牲膜21を例えば30nmの膜厚で形成する。
Next, as shown in FIG. 1B, a sacrifice made of, for example, a titanium (Ti) film on the
ここで、この犠牲膜21の材質としては、後工程で、犠牲膜21の少なくとも表面側を除去することから、露出された下層配線5に対して選択的に除去可能な材質であればよく、導電膜であっても、絶縁膜であってもよい。そして、後述するように、犠牲膜21を全て除去する場合には、犠牲膜21が層間絶縁膜7に対しても選択的に除去可能な材質で形成されることが好ましい。ここでは、犠牲膜21を導電膜で形成する例について説明することとし、後述する第2実施形態において、犠牲膜21が絶縁膜である例について説明する。犠牲膜21を構成する導電材料としては、上述したTiの他に、Al、タングステン(W)、マンガン(Mn)、またはこれらを含む合金膜もしくは窒化チタン(TiN)を用いることができる。
Here, the material of the sacrificial film 21 may be any material that can be selectively removed with respect to the exposed
この犠牲膜21の成膜方法としては、例えばTiターゲットが設置された指向性のマグネトロンスパッタリング装置を用い、まず、第1ステップとして、基板バイアスを500W、ターゲットDCパワーを40kWとし、アルゴン100%雰囲気下で、67mPaにて、Ti膜を30nm程度の膜厚で全面成膜する。その後、第2ステップとして、基板バイアスを1000Wまで上げるとともにターゲットDCパワーを5kWまで下げて、アルゴン100%雰囲気下で、26.6mPaにて、Ti成膜とエッチングがフィールド絶縁膜上でプラスマイナスゼロとなるように設定して所定時間の放電処理を施す。これにより、接続孔8bの底部を除くデュアルダマシン開口部8の内壁およびハードマスク層7b上ではTi膜を残存させながら、アスペクト比が高い接続孔8b底部では、Ti膜堆積よりバイアスエッチングの成分が大きくなることにより、Ti膜がスパッタエッチングされることで、下層配線5まで選択的に貫通させることが出来る。
As a method for forming the sacrificial film 21, for example, a directional magnetron sputtering apparatus in which a Ti target is installed is used. First, as a first step, a substrate bias is set to 500 W, a target DC power is set to 40 kW, and an argon atmosphere is 100%. Below, a Ti film is formed on the entire surface at a thickness of about 30 nm at 67 mPa. After that, as the second step, the substrate bias is increased to 1000 W and the target DC power is decreased to 5 kW, and Ti film formation and etching are plus or minus zero on the field insulating film at 26.6 mPa in an
続いて、スパッタエッチングにより、接続孔8bが下層配線5の内部に達する状態となるまで、接続孔8bの底部に露出された下層配線5を掘り込む。これにより、後工程で、接続孔8b内に形成するヴィアの底部が下層配線5に埋め込まれたアンカー形状の配線構造を形成することが可能となる。この際、ヴィアと下層配線との接触面積が大きいほど、配線信頼性を向上させることができるため、配線信頼性が確実に増大する深さ以上に、下層配線5を掘り込むことが好ましい。このスパッタエッチングにより、接続孔8bの側壁を覆う上記犠牲膜21の表面には、下層配線5から飛散したCuからなる導電性粒子10が付着する。
Subsequently, the
なお、上記犠牲膜21の形成工程では、同一装置のチャンバー内で接続孔8bの底部を除くデュアルダマシン開口部8の内壁に犠牲膜21を形成する例について説明したが、例えば上記第1ステップのTi膜を上記膜厚よりも厚く形成し、その後、別のチャンバーに移して、通常のスパッタエッチングにより、接続孔8b底部のTi膜の除去を行う方法でも上記犠牲膜21を形成することが可能である。また、ここでは、PVD法により上記犠牲膜21を成膜することとしたが、CVD法等、他の成膜方法により犠牲膜21を成膜してもよい。
In the formation process of the sacrificial film 21, the example in which the sacrificial film 21 is formed on the inner wall of the
続いて、図1(c)に示すように、例えばウェットエッチングにより、上記犠牲膜21(前記図1(b)参照)の少なくとも表面側を、下層配線5に対して選択的に除去することで、犠牲膜21の表面に付着した導電性粒子10(前記図1(b)参照)が除去される。ここでは、犠牲膜21を全て除去することで、層間絶縁膜7を露出させることとする。
Subsequently, as shown in FIG. 1C, at least the surface side of the sacrificial film 21 (see FIG. 1B) is selectively removed with respect to the
このウェットエッチングは、通常の洗浄機を用いて、例えば1/100に希釈されたフッ酸水溶液(Diluted Hydrofluoric Acid(DHF))からなる薬液を用いて、室温で所望のエッチング量となるように処理を行う。この際、Ti膜からなる犠牲膜21は、低誘電率層7aを含む層間絶縁膜7およびCuからなる下層配線5に対して、一桁以上高いエッチングレートを有するため、このウェットエッチングにより、犠牲膜21を選択的に除去することが可能となる。また、Cuからなる導電性粒子10自体は、上記薬液にエッチングされることはないが、犠牲膜21がエッチングされることで、犠牲膜21とともに除去される。
This wet etching is performed by using a normal cleaning machine, for example, a chemical solution made of diluted hydrofluoric acid (DHF) diluted to 1/100 so as to obtain a desired etching amount at room temperature. I do. At this time, the sacrificial film 21 made of the Ti film has an etching rate higher by one digit or more than the interlayer insulating
なお、ここでは、Ti膜からなる犠牲膜21を、DHFを用いたウェットエッチングにより除去することとするが、除去方法は、上述した犠牲膜21の材質により、適宜変更されることとする。例えば犠牲膜21がAl膜で形成される場合には、Ti膜と同様に、DHFを用いたウェットエッチングや、アンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウェットエッチングにより、下層配線5に対して選択的に除去可能である。また、犠牲膜21がW膜で形成される場合には、六フッ化イオウ(SF6)系ガスを用いたドライエッチング、TiN膜で形成される場合には、Cl系ガスを用いたドライエッチングにより選択的に除去可能である。
Here, the sacrificial film 21 made of a Ti film is removed by wet etching using DHF, but the removing method is appropriately changed depending on the material of the sacrificial film 21 described above. For example, when the sacrificial film 21 is formed of an Al film, the
また、ここでは、犠牲膜21を全て除去することとするが、犠牲膜21の表面側のみを除去し、デュアルダマシン開口部8の底部を除く内壁を覆う状態で、ハードマスク層7b上に、上記犠牲膜21を残存させてもよい。この場合には、上記薬液処理のエッチングレートを制御することで、犠牲膜21の表面側のみを除去する。さらに、デュアルダマシン開口部8の側壁、すなわち、配線溝8aおよび接続孔8bの側壁のみに、犠牲膜21をサイドウォール状に残存させてもよい。
Here, all of the sacrificial film 21 is removed, but only the surface side of the sacrificial film 21 is removed, and the inner wall excluding the bottom of the
その後、必要に応じて、水素アニール処理により、接続孔8b底部に露出された下層配線5の表面の酸化層を清浄した後、図2(d)に示すように、例えばPVD法により、デュアルダマシン開口部8の内壁を覆う状態で、ハードマスク層7b上に、例えばTaからなるバリア膜11’を15nmの膜厚で成膜する。ここで、バリア膜11’は、上記Taの他に、Ti、W、TaN、TiN、チタンシリコンナイトライド(TiSiN)、窒化タングステン(WN)、炭窒化タングステン(WCN)、ジルコニウム(Zr)合金等でもよい。
Thereafter, if necessary, the surface of the
続いて、電解めっき法またはPVD法により、デュアルダマシン開口部8を埋め込む状態で、バリア膜11’上に例えばCuからなる導電膜12を形成する。この導電膜12としては、Cu膜の他に、例えば、銀(Ag)、スズ(Sn)、Ti、Al、Mn、マグネシウム(Mg)を含むCu合金膜を適用してもよい。
Subsequently, a
その後、図2(e)に示すように、例えばCMP法により、配線パターンとして不要な部分の導電膜12(前記図2(d)参照)およびバリア膜11’を除去することで、上記配線溝8aに上層配線13(第2導電層)を形成するとともに、接続孔8bにヴィア14(第2導電層)を形成する。次いで、上層配線13上およびハードマスク層7b上に、例えばSiC膜からなる拡散防止膜15を形成する。これにより、ヴィア14の底部が下層配線5に埋め込まれたアンカー形状の配線構造が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 2 (e), by removing the conductive film 12 (see FIG. 2 (d)) and the
この後の工程は、図1(a)〜図2(e)を用いて説明した工程を繰り返して行うことで、デュアルダマシン構造の多層配線構造を形成する。 Subsequent steps are performed by repeating the steps described with reference to FIGS. 1A to 2E to form a multilayer structure having a dual damascene structure.
このような半導体装置の製造方法によれば、図1(b)を用いて説明したように、接続孔8bの底部を除くデュアルダマシン開口部8の内壁に犠牲膜21を形成し、接続孔8bの底部から露出する下層配線5のスパッタエッチングを行った後、図1(c)を用いて説明したように、接続孔8bの側壁を覆う犠牲膜21に付着した導電性粒子10を、犠牲膜21とともに除去することが可能となる。これにより、導電性粒子10の残存によるバリア膜11’とヴィア14との密着性低下が防止されるため、ヴィア14中へのボイドの発生を防ぐことができる。また、上記導電性粒子10が除去されることで、バリア膜11’を厚く形成しなくてもいいことから、導電膜12の埋め込み特性および上層配線13およびヴィア14の導通特性の悪化が防止される。以上のことから、高性能且つ、高歩留まり、高信頼性の半導体装置を製造することができる。
According to such a method of manufacturing a semiconductor device, as described with reference to FIG. 1B, the sacrificial film 21 is formed on the inner wall of the
また、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、下層配線5にヴィア14の底部が埋め込まれたアンカー形状の配線構造が形成されるため、ヴィア14と下層配線との接触面積が増大することにより、ヴィア14の下層配線5側を構成するバリア膜11’と下層配線5との異種金属界面が安定化し、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション等の配線信頼性の向上が期待できる。
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present embodiment, since the anchor-shaped wiring structure in which the bottom of the via 14 is embedded in the
なお、上記第1実施形態では、層間絶縁膜7がSiOC膜からなる低誘電材料層7aとSiO2膜からなるハードマスク層7bとの積層膜で構成された例について説明したが、本発明はこれに限定されず、層間絶縁膜7の構成材料は、デバイス要求性能によって選択すればよい。層間絶縁膜7の構成材料としては、無機系材料として、上述したSiO2膜、SiOC膜の他に、無機系の低誘電材料膜であるフッ素含有酸化シリコン(SiOF)膜、有機系の低誘電材料膜として、ポリアリールエーテル(PAE)膜、P−ベンゾシクロブテン(P−BCB)膜等を用いてもよい。または、これらを多孔質化した膜(ポーラス膜)を用いてもよい。上述した膜は、単層で用いても積層してもよく、例えば、無機系の低誘電材料膜と有機系の低誘電材料膜とを積層させてハイブリッド構造としてもよい。
In the first embodiment, the example in which the
(第2実施形態)
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第2の実施の形態を図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する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described using the manufacturing process sectional views of FIGS. In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to 1st Embodiment.
まず、図3(a)に示すように、図示しない基板に堆積された下地絶縁膜1上に、SiOCからなる層間絶縁膜2が形成され、この層間絶縁膜2に形成された配線溝3にバリア膜4を介してCuを埋め込んだ下層配線5が形成されている。また、下層配線5上および層間絶縁膜2上には、SiCからなる拡散防止膜6が設けられている。
First, as shown in FIG. 3A, an
次いで、上記拡散防止膜6上に、層間絶縁膜7’を形成する。ここでは、例えば多孔質(ポーラス)構造のSiOC膜(ポーラスSiOC膜)からなる低誘電材料層7a’と例えばSiO2からなるハードマスク層7b’とを順次積層してなる層間絶縁膜7’を形成することとする。ここで、ポーラスSiOC膜の成膜方法としては、ナノクラスタリングシリカ(Nano Clustorering Silica(以下NCS))を塗布し、窒素雰囲気下で300℃〜400℃のキュアを施すことにより、形成する。このポーラスSiOC膜の比誘電率は2.3前後、平均ポアサイズは3nm以下である。また、低誘電材料層7a’として、ポーラス構造の低誘電率膜であるJSR社製のLKDシリーズや、その他のポーラスMSQ(Methyl silsesquioxane)膜を用いてもよい。また、平行平板型のプラズマCVD法により、メチルシラン系ガスとポアジェンソース(空孔形成材料)を用いて成膜した後にキュアを施してもよい。さらには電子線照射やUV照射によるキュアを施して、低誘電材料層7a’の結合を整えてもよい。
Next, an
次いで、本構造の層間絶縁膜7’に、配線溝8aとこの配線溝8aの底部に連通する接続孔8bとからなるデュアルダマシン開口部8を形成する。続いて、接続孔8bの底部の上記拡散防止膜6を除去し、接続孔8bの底部に下層配線5の表面を露出させる。
Next, a
次に、図3(b)に示すように、例えばCVD法により、上記デュアルダマシン開口部8の内壁を覆う状態で、ハードマスク層7b’上に、例えばSiO2からなる犠牲膜22を例えば20nmの膜厚で形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, a
ここで、本実施形態においては、犠牲膜22を絶縁膜で形成することとする。この犠牲膜22を構成する絶縁材料としては、上述したSiO2の他に、例えば窒化シリコン(SiN)膜、炭素含有窒化シリコン(SiCN)膜、窒素含有酸化シリコン(SiON)膜、SiOC膜、SiC膜等の無機系絶縁膜、P−BCB膜、炭化水素膜等の有機絶縁膜等を用いることができる。
Here, in this embodiment, the
この犠牲膜22の成膜方法としては、例えば平行平板型プラズマCVD装置を用い、成膜ガスには、シリコン源としてTEOS(Tetraethoxysilane)ガス、酸化剤として一酸化二窒素(N2O)ガスを用いる。また、成膜条件としては、基板温度を300〜400℃に設定し、プラズマパワーを150W〜350W、成膜雰囲気の圧力を100Pa〜1000Pa程度に設定する。
As a method for forming the
続いて、図3(c)に示すように、接続孔8b底部の犠牲膜22を選択的に除去し下層配線5を露出させる。その後、スパッタエッチングにより、接続孔8bが下層配線5の内部に達する状態となるまで、接続孔8bの底部に露出された下層配線5を掘り込む。この際、接続孔8bの側壁を覆う上記犠牲膜22の表面には、下層配線5から飛散したCuからなる導電性粒子10が付着する。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, the
この方法としては、Tiターゲットが設置された指向性のマグネトロンスパッタリング装置を用い、基板バイアスを1000W、ターゲットDCパワーを5kWとし、アルゴン100%雰囲気下で、67mPaにて、Ti成膜とエッチングがフィールド絶縁膜上でプラスマイナスゼロとなるように設定して所定時間の放電処理を施す。これにより、ハードマスク層7b’上および接続孔8bの底部を除く配線溝8aならびに接続孔8bの内壁ではTi膜が成膜された状態を保ちながら、配線溝8aの底部上、配線溝8aおよび接続孔8bの側壁では、犠牲膜22が成膜された状態を保ちながら、アスペクト比が高い接続孔8b底部では、犠牲膜22堆積よりバイアスエッチングの成分が大きくなることにより、犠牲膜22がスパッタエッチングされることで、下層配線5まで選択的に貫通させることが出来る。なお、この工程により、接続孔8bの底部を除くデュアルダマシン開口部8の内壁に、Ti膜が成膜される場合もあるが、Ti膜は残存しても構わない。
This method uses a directional magnetron sputtering apparatus with a Ti target installed, a substrate bias of 1000 W, a target DC power of 5 kW, and a Ti film formation and etching at 67 mPa in an
続いて、図4(d)に示すように、例えばウェットエッチングにより、上記犠牲膜22の少なくとも表面側を下層配線5に対して選択的に除去することで、犠牲膜22とともに、犠牲膜22の表面に付着した導電性粒子10(前記図3(c)参照)を除去する。ここでは、20nm程度の膜厚の犠牲膜22のうち、表面側の5nm程度を除去することで、犠牲膜22を残存させることとする。これにより、残存した犠牲膜22が、層間絶縁膜7’の低誘電材料層7a’を構成するポーラスSiOC膜の保護絶縁膜として機能し、ポーラスSiOC膜からの脱ガスを抑制する。
Subsequently, as shown in FIG. 4D, at least the surface side of the
このウェットエッチングは、通常の洗浄機を用い、例えば1/100に希釈されたDHFからなる薬液にて室温で所望のエッチング量となるように処理を行う。この際、上記DHFのフッ酸濃度および処理時間を制御することで、nm単位のエッチングの制御が可能となる。この際、Cuからなる導電性粒子10自体は、上記薬液にエッチングされることはないが、犠牲膜22の表面側がエッチングされることで、犠牲膜22とともに除去される。
This wet etching is performed using a normal cleaning machine, for example, with a chemical solution made of DHF diluted to 1/100 so that a desired etching amount is obtained at room temperature. At this time, by controlling the DHF hydrofluoric acid concentration and the processing time, etching in nm units can be controlled. At this time, the
なお、ここでは、SiO2からなる犠牲膜22をDHFからなる薬液を用いたウェットエッチングにより除去することとしたが、除去方法は、犠牲膜22の材質により、適宜変更されることとする。例えば犠牲膜22がSiOC膜で形成される場合には、フッ化アンモン系の薬液を用いたウェットエッチングにより、下層配線5に対して選択的に除去することができ、SiN膜、SiON膜、SiCN膜で形成される場合には、燐酸系の薬液を用いたウェットエッチングにより、選択的に除去することができる。また、犠牲膜22がP−BCB膜や炭化水素膜等の有機絶縁膜で形成される場合には、アンモニアガスを用いたドライエッチングにより、選択的に除去することが可能である。
Here, the
この後の工程は、第1実施形態と同様に行う。すなわち、必要に応じて、水素アニール処理により、接続孔8b底部に露出された下層配線5の表面の酸化層を清浄にした後、図4(e)に示すように、PVD法により、デュアルダマシン開口部8の内壁を覆う状態で、犠牲膜22上に、例えばTaからなるバリア膜11’を成膜する。続いて、電解めっき法またはPVD法により、デュアルダマシン開口部8を埋め込む状態で、バリア膜11’上に例えばCuからなる導電膜12を形成する。
The subsequent steps are performed in the same manner as in the first embodiment. That is, if necessary, after the oxide layer on the surface of the
その後、図4(f)に示すように、CMP法により、配線パターンとして不要な部分の導電膜12、バリア膜11’および犠牲膜22を除去することで、上記配線溝8aに上層配線13を形成するとともに、接続孔8bにヴィア14を形成する。次いで、上層配線13上およびハードマスク層7b’上に、例えばSiC膜からなる拡散防止膜15を形成する。これにより、ヴィア14の底部が下層配線5に埋め込まれたアンカー形状の配線構造が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 4 (f), unnecessary portions of the
その後、図3(a)〜図4(f)を用いて説明した工程を繰り返して行うことで、デュアルダマシン構造の多層配線構造を形成する。 Thereafter, the multi-layer wiring structure having a dual damascene structure is formed by repeatedly performing the steps described with reference to FIGS. 3A to 4F.
このような半導体装置の製造方法によっても、犠牲膜22の表面側を除去することで、下層配線5のスパッタエッチングにより、接続孔8bの側壁を覆う犠牲膜22に付着した導電性粒子10が、犠牲膜22とともに除去されることから、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
Also by such a method of manufacturing a semiconductor device, the
また、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜からなる犠牲膜22の表面側のみを除去することから、残存した犠牲膜22を低誘電材料層7a’の保護絶縁膜として用いることができるため、低誘電材料層7a’からの脱ガスを防止することができる。さらに、犠牲膜22を残存させて、低誘電材料層7a’の保護絶縁膜として機能させることで、低誘電材料層7a’に、より比誘電率の低い材料(極低誘電率(ultra low-k))膜を用いることが可能となるため、配線間容量を低減させることができる。
Further, according to the method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment, only the surface side of the
なお、上述した第1実施形態および第2実施形態では、スパッタエッチングにより、接続孔8bが下層配線5の内部に達する状態となるまで、接続孔8bの底部に露出された下層配線5を掘り込むことで、ヴィア14の底部が下層配線5に埋め込まれたアンカー形状の配線構造を形成する例について説明した。しかし、本発明はこれに限定されず、接続孔8bの底部に露出された下層配線5を掘り込まずに、下層配線5の表面に達する状態のヴィア14を形成する場合であっても、適用可能である。ただし、この場合にも、接続孔8bの底部を除くデュアルダマシン開口部8の内壁を覆う状態で、犠牲膜21または犠牲膜22を成膜する際、接続孔8bの底部に露出された下層配線5の表面にスパッタエッチングが行われる。
In the first and second embodiments described above, the
また、上述した第1実施形態および第2実施形態においては、デュアルダマシン法を用い、上層配線13とヴィア14とを同一工程で形成する半導体装置の製造方法を例にとり説明したが、本発明は、シングルダマシン法を用いて配線およびヴィアを別工程でそれぞれ形成する場合であっても適用可能である。この場合には、配線溝または接続孔の底部を除く側壁を覆う状態で犠牲膜を形成し、これらの底部に露出されたヴィアまたは配線のスパッタエッチングを行うことにより、犠牲膜の表面に付着した導電性粒子を、犠牲膜の少なくとも表面側とともに除去する。
In the first embodiment and the second embodiment described above, the dual damascene method is used as an example to describe a method for manufacturing a semiconductor device in which the
5…下層配線、7,7’…層間絶縁膜、8a…配線溝、8b…接続孔、8…デュアルダマシン開口部、13…上層配線、14…ヴィア、21,22…犠牲膜 5 ... Lower layer wiring, 7, 7 '... Interlayer insulating film, 8a ... Wiring groove, 8b ... Connection hole, 8 ... Dual damascene opening, 13 ... Upper layer wiring, 14 ... Via, 21, 22 ... Sacrificial film
Claims (6)
前記凹部の底部を除く内壁を覆う状態で、犠牲膜を形成するとともに、当該凹部の底部に露出された前記第1導電層のスパッタエッチングを行う第2工程と、
前記犠牲膜の少なくとも表面側を、前記第1導電層に対して選択的に除去する第3工程と、
前記犠牲膜の少なくとも表面側が除去された前記凹部に、第2導電層を埋め込み形成する第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。 A first step of forming an insulating film on a substrate provided with a first conductive layer on the surface side, and forming a recess reaching the first conductive layer in the insulating film;
A second step of forming a sacrificial film in a state of covering the inner wall excluding the bottom of the recess, and performing sputter etching of the first conductive layer exposed at the bottom of the recess;
A third step of selectively removing at least the surface side of the sacrificial film with respect to the first conductive layer;
And a fourth step of embedding and forming a second conductive layer in the concave portion from which at least the surface side of the sacrificial film has been removed.
前記第2工程では、前記スパッタエッチングにより、前記凹部が前記第1導電層の内部に達する状態となるまで、前記第1導電層を掘り込む
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 second step, the first conductive layer is dug until the concave portion reaches the inside of the first conductive layer by the sputter etching.
前記第3工程では、前記犠牲膜の少なくとも表面側とともに、前記第2工程における前記スパッタエッチングにより、前記犠牲膜の表面に付着した導電性粒子を除去する
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 third step, the conductive particles attached to the surface of the sacrificial film are removed together with at least the surface side of the sacrificial film by the sputter etching in the second step.
前記第3工程では、前記犠牲膜の表面側のみを除去することで、前記凹部の底部を除く前記内壁に前記犠牲膜を残存させる
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 third step, the sacrificial film is left on the inner wall except for the bottom of the recess by removing only the surface side of the sacrificial film.
前記第3工程と前記第4工程の間に、
前記凹部の内壁を覆う状態で、前記第2導電層からの導電材料の拡散を防止するバリア膜を形成する工程を行う
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 1,
Between the third step and the fourth step,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a barrier film that prevents diffusion of a conductive material from the second conductive layer in a state of covering an inner wall of the recess.
前記凹部が配線溝と当該配線溝の底部に連通する接続孔とで構成されている
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the recess is composed of a wiring groove and a connection hole communicating with the bottom of the wiring groove.
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