JP2008010532A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、配線溝とその底部に形成された接続孔とにバリア膜を形成した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 in which a barrier film is formed in a wiring groove and a connection hole formed in the bottom thereof.
銅(Cu)配線はアルミニウム(Al)系合金配線より低抵抗・低容量・高信頼性を与えることから、配線の寄生抵抗・寄生容量による回路遅延が支配的になる微細素子において重要性を増してきた。一般には銅はアルミニウム系合金配線と異なりドライエッチングが容易ではないため、いわゆるダマシンプロセスが広く受け入れられている。ダマシンプロセスとは、例えば酸化シリコン(SiO2)膜などの層間絶縁膜に予め所定の溝を形成し、その溝に配線材料を埋め込み、その後余剰な配線材料を化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法などにより除去することで形成される配線形成プロセスである。さらに接続孔と配線溝を形成した後、一括して配線材料を埋め込み、余剰な配線材料を除去するデュアルダマシン法も工程数の削減、コストの削減に有効である(例えば、特許文献1参照。)。 Since copper (Cu) wiring provides lower resistance, lower capacitance, and higher reliability than aluminum (Al) alloy wiring, it is more important for micro devices where circuit delay due to wiring parasitic resistance and parasitic capacitance is dominant. I came. Generally, copper is not easy to dry etch unlike aluminum-based alloy wiring, and so-called damascene process is widely accepted. In the damascene process, for example, a predetermined groove is formed in an interlayer insulating film such as a silicon oxide (SiO 2 ) film in advance, a wiring material is embedded in the groove, and the surplus wiring material is then subjected to chemical mechanical polishing (CMP). ) Is a wiring formation process formed by removing by a method or the like. Furthermore, the dual damascene method, in which wiring material is filled in at a time after forming connection holes and wiring grooves and excess wiring material is removed, is also effective in reducing the number of steps and cost (see, for example, Patent Document 1). ).
図8(1)に示すように、通常、銅(Cu)配線111上には、絶縁膜122に対するストッパ膜121として窒化シリコン膜(SiN)、炭化シリコン膜(SiC)、窒化炭化シリコン膜(SiCN)のような酸素を含まない膜が用いられている。デュアルダマシン構造で配線を形成する際は、一般的に最後に接続孔123底部の上記ストッパ膜121を加工し、下層の銅配線111と導通をとるプロセスを用いる。
As shown in FIG. 8A, a silicon nitride film (SiN), a silicon carbide film (SiC), and a silicon nitride carbide film (SiCN) are usually provided on the copper (Cu)
ここでのストッパ膜の加工は、図8(2)に示すように、通常、接続孔123が形成される絶縁膜122や銅配線111が形成される絶縁膜112上部のキャップ膜として用いる酸化シリコン(SiO2)膜や炭化酸化シリコン(SiOC)膜に対して高選択比の加工が困難なため、接続孔123底部のストッパ膜121を除去する際に、接続孔123の開口部および配線溝124上部に肩落ち、ファセットが発生するといった問題が生じる。
As shown in FIG. 8B, the processing of the stopper film here is usually silicon oxide used as a cap film on the
この結果、LSIの設計ルールの微細化に伴い深刻化していく配線間のリークに対する余裕(マージン)が低下するといった問題に発展する。さらには、図9(3)に示すように、この接続孔123上部のファセット形状により、スパッタリングによって成膜されるバリアメタル膜125がオーバーハング形状となる。
As a result, there arises a problem that a margin for a leak between wirings, which becomes more serious as LSI design rules become finer, decreases. Furthermore, as shown in FIG. 9 (3), due to the facet shape above the
そして、図9(4)に示すように、銅126の埋め込みを行うと、接続孔123内部にボイド127が形成されるといった問題が発生する。この結果、配線信頼性が急激に劣化するといった問題に発展する。
Then, as shown in FIG. 9 (4), when the
また、図10(1)に示すように、接続孔123が形成される絶縁膜131上に配線溝124が形成される絶縁膜132が例えばポリアリールエーテル膜133および炭化酸化シリコン(SiOC)膜134で形成され、その上部に窒化炭化シリコン(SiCN)膜からなるハードマスク135が形成されている場合であっても、図10(2)に示すように、接続孔123底部のストッパ膜121を除去する工程で、配線溝124の開口部および接続孔123の開口部に肩落ちやファセットが発生する。
Further, as shown in FIG. 10A, the
解決しようとする問題点は、接続孔の開口部および配線溝上部における肩落ちが発生する点であり、また接続孔の開口部および配線上部においてファセットが発生する点である。 The problem to be solved is that shoulder drop occurs at the opening of the connection hole and the upper part of the wiring groove, and facet occurs at the opening of the connection hole and the upper part of the wiring.
本発明は、接続孔の開口部および配線溝上部におけるファセットの発生、肩落ちの発生を抑制して、配線信頼性の向上を可能にする。 The present invention makes it possible to improve the wiring reliability by suppressing the occurrence of facets and shoulder drop at the opening of the connection hole and the upper part of the wiring groove.
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上にストッパ膜と絶縁膜とを形成し、該絶縁膜に配線溝と該配線溝の底部に接続孔とを形成する工程と、前記接続孔底部を除く前記配線溝と接続孔との内面に第1バリア膜を形成する工程と、前記接続孔底部の前記ストッパ膜を除去して前記接続孔を延長する工程と、少なくとも前記接続孔の底部に第2バリア膜を形成する工程と、前記配線溝および接続孔の内部に前記第1バリア膜および第2バリア膜を介して配線材料を埋め込む工程とを備えたことを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a stopper film and an insulating film on a substrate, forming a wiring groove in the insulating film and a connection hole at the bottom of the wiring groove, and forming the bottom of the connection hole. Forming a first barrier film on the inner surfaces of the wiring groove and the connection hole, excluding the stopper film at the bottom of the connection hole and extending the connection hole, and at least a bottom of the connection hole. And a step of burying a wiring material through the first barrier film and the second barrier film inside the wiring groove and the connection hole.
本発明の半導体装置の製造方法では、接続孔底部を除く配線溝と接続孔との内面に第1バリア膜を形成してから、ストッパ膜に接続孔を延長するので、ストッパ膜の除去加工において第1バリア膜がマスクの作用をする。このため、ストッパ膜を高い選択性をもって除去加工できるので、接続孔開口部、配線溝開口部での、いわゆる肩落ちの発生は起こらない。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, since the first barrier film is formed on the inner surfaces of the wiring groove and the connection hole except for the bottom of the connection hole, the connection hole is extended to the stopper film. The first barrier film acts as a mask. For this reason, since the stopper film can be removed with high selectivity, so-called shoulder drop does not occur in the connection hole opening and the wiring groove opening.
本発明の半導体装置の製造方法によれば、ストッパ膜を高い選択性をもって除去加工できるので、接続孔開口部、配線溝開口部での、いわゆる肩落ちの発生は起こらないため、より微細な世代に対しても配線間あるいは配線と接続孔との間のショートマージンが確保され、さらに配線材料埋め込み時のピンチオフにも有利な形状とすることができるので、より微細な世代に対しても、高信頼性な配線構造となるという利点があり、従来の配線構造よりも桁違いの耐圧効果を得ることができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, since the stopper film can be removed with high selectivity, so-called shoulder drop does not occur in the connection hole opening and the wiring groove opening. In addition, a short margin between the wirings or between the wirings and the connection holes is secured, and the shape can also be advantageous for pinch-off when embedding the wiring material. There is an advantage that a reliable wiring structure is obtained, and an order of magnitude breakdown voltage effect can be obtained as compared with the conventional wiring structure.
本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態(第1実施例)を、図1〜図4の製造工程断面図によって説明する。 An embodiment (first example) according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to the manufacturing process cross-sectional views of FIGS.
図1(1)に示すように、基体(図示せず)に形成された下地11上に配線層絶縁膜12が形成されている。この配線層絶縁膜12は、例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で形成される。この配線層絶縁膜12に、バリア膜13を介して銅(Cu)からなる第1配線14を形成する。ここでは第1配線14は、その高さが150nmとなるよう形成され、第1配線14上に銅の拡散および酸化を防止するストッパ膜15を形成する。このストッパ膜15は、例えば炭化窒化シリコン(SiCN)膜を例えば35nmの厚さに成膜して形成され、後の工程において、エッチングストッパとしても機能する。続けて上記ストッパ層15上に配線溝および接続孔を形成するための絶縁膜16を形成する。この絶縁膜16は、例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で形成される。そして、リソグラフィー技術および反応性イオンエッチングにより、絶縁膜16に配線溝17およびこの配線溝17の底部に接続孔18を形成して、いわゆるデュアルダマシン構造を得る。
As shown in FIG. 1A, a wiring
次に、上記接続孔18底部を除く上記配線溝17と接続孔18との内面に第1バリア膜を形成する方法の一例を以下に説明する。まず、図1(2)に示すように、配線溝17と接続孔18との内面に第1バリア膜21を形成する。この第1バリア膜21は、接続孔18底部のストッパ膜15を除去加工する際に、接続孔18開口部および配線溝17上部の肩落ちを防止する機能を有する。したがって、第1バリア膜21は上記ストッパ膜15を選択的にエッチングできる材料で形成されている。例えばタンタル(Ta)を例えば4nmの厚さに成膜して形成される。この成膜は、例えば一般的なマグネトロンスパッタリング装置を用い、タンタルターゲットを用いて指向性スパッタリング法にて成膜する。ここでの第1バリア膜21の膜厚は、ファセット防止として用いるため2nm以上あれば十分である。また、次工程で選択的に接続孔18底部の第1バリア膜21のみを除去するために、10nm以下にすることが望ましい。
Next, an example of a method for forming the first barrier film on the inner surfaces of the
次に、図2(3)に示すように、接続孔18底部のストッパ膜15を選択的に除去(開口)して、接続孔18を延長形成する。この方法としては、タンタル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、基板バイアスを600Wに、ターゲットDCパワーを5kWに設定し、雰囲気をアルゴン100%とし、雰囲気の圧力を133mPaとして、タンタル(Ta)の成膜とエッチングがいわゆるベタ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、配線溝17の上部、側壁部、底部、および接続孔18上部、側壁部では第1バリア膜21が残存した状態を維持しながら、アスペクト比が高い接続孔18底部では、バイアスエッチングの成分が大きくなることにより、第1バリア膜21が選択的に除去される。
Next, as shown in FIG. 2C, the
次に、図2(4)に示すように、接続孔18底部のストッパ膜15をエッチング除去して開口し、接続孔18を延長形成する。このエッチングは、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、例えば、エッチングガスとしてのオクタフルオロシクロペンテン(C5F8)、一酸化炭素(CO)、アルゴン(Ar)および酸素(O2)を用い、ガス流量比をC5F5:CO:Ar:O2=1:10:5:1とし、バイアスパワーを1600W、基板温度を20℃に設定する。このエッチング条件ではタンタルからなる第1バリア膜21との選択比が50以上得られるため、接続孔18開口部および配線溝17上部の肩落ちは抑制されつつ、ストッパ膜15のみが開口した、良好なデュアルダマシン構造を形成することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 2 (4), the
次に、図3(5)に示すように、しかるべき脱ガス処理を行った後、上記配線溝17および接続孔18の内面に、上記第1バリア膜21を介して第2バリア膜22を形成する。この第2バリア膜22は、銅配線の層間絶縁膜に対する拡散防止膜となるもので、例えばタンタル(Ta)を例えば10nmの厚さに成膜して形成する。この成膜は、例えば一般的なマグネトロンスパッタリング装置を用いて、タンタルターゲットを用いて指向性スパッタリング法にて成膜する。
Next, as shown in FIG. 3 (5), after performing an appropriate degassing process, the
次に、図3(6)に示すように、上記配線溝17および接続孔18の内部に、上記第1バリア膜21および第2バリア膜22を介して、銅もしくは銅を含む合金からなる配線材料23を埋め込む。この配線材料の形成は、例えば、電解めっき法もしくはスパッタリング法もしくはCVD法を用いる。上記電解めっき法を用いる場合、予め、上記配線溝17および接続孔18の内面に銅めっきのシードとなる層(図示せず)を形成しておく。上記第2バリア膜22の成膜は上記配線溝17および接続孔18の内面にカバレッジ良く形成される必要がある。そのため、例えばその成膜には、好ましくは指向性スパッタリング法を用いるのが良く、例えばそのような成膜方法には、自己放電イオン化スパッタリング法、遠距離スパッタリング法などがある。また、第1バリア膜21と第2バリア膜22は、同一の材料を用いるのが、信頼性向上の観点から望ましい。
Next, as shown in FIG. 3 (6), a wiring made of copper or an alloy containing copper is inserted into the
次いで、絶縁膜16上の余剰な配線材料23および第1バリア膜21、第2バリア膜22を除去する。この除去加工には、例えば化学的機械研磨を用いる。この結果、配線溝17に第1バリア膜21、第2バリア膜22を介して配線材料23からなる第2配線24が形成され、接続孔18の内部に第1バリア膜21、第2バリア膜22を介して配線材料23からなるプラグ25が形成される。
Next, the
次に、図4(7)に示すように、銅の拡散および酸化を防止する防止層26を形成する。この防止層26は、例えば、炭化シリコン窒化膜(SiCN)膜で形成する。
Next, as shown in FIG. 4 (7), a
上記製造方法(第1実施例)によれば、ストッパ膜15を高い選択性をもって除去加工できるので、接続孔18開口部、配線溝17開口部での、いわゆる肩落ちの発生は起こらないため、より微細な世代に対しても配線間あるいは配線と接続孔との間のショートマージンが確保され、さらに配線材料の埋め込み時のピンチオフにも有利な形状とすることができるので、より微細な世代に対しても、高信頼性な配線構造となるという利点があり、従来の配線構造よりも桁違いの耐圧効果を得ることができる。
According to the manufacturing method (first embodiment), since the
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態(第2実施例)を、図5〜図7の製造工程断面図によって説明する。 Next, an embodiment (second embodiment) according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to the manufacturing process sectional views of FIGS.
図5(1)に示すように、基体(図示せず)に形成された下地11上に配線層絶縁膜12が形成されている。この配線層絶縁膜12は、例えば炭化シリコン酸化膜(SiOC)2で形成される。この配線層絶縁膜12に、バリア膜13を介して銅(Cu)からなる第1配線14を形成する。ここでは第1配線14は、その高さが150nmとなるよう形成され、第1配線14上に銅の拡散および酸化を防止するストッパ膜15を形成する。このストッパ膜15は、例えば炭化シリコン窒化膜(SiCN)4を例えば35nmの厚さに成膜して形成され、後の工程において、エッチングストッパとしても機能する。続けて上記ストッパ層15上に配線溝および接続孔を形成するための絶縁膜16を形成する。この絶縁膜16は、例えば炭化シリコン酸化膜(SiOC)5で形成される。そして、リソグラフィー技術および反応性イオンエッチングにより、絶縁膜16に配線溝17およびこの配線溝17の底部に接続孔18を形成して、いわゆるデュアルダマシン構造を得る。
As shown in FIG. 5A, a wiring
次に、上記接続孔18底部を除く上記配線溝17と接続孔18との内面に第1バリア膜を形成するとともに、ストッパ膜15を除去する方法の一例を以下に説明する。まず、図5(2)に示すように、配線溝17と接続孔18との内面に第1バリア膜21を形成する。この第1バリア膜21は、接続孔18底部のストッパ膜15を除去加工する際に、接続孔18開口部および配線溝17上部の肩落ちを防止する機能を有する。したがって、第1バリア膜21は上記ストッパ膜15を選択的にエッチングできる材料で形成されている。例えばタンタル(Ta)を例えば4nmの厚さに成膜して形成される。この成膜は、例えば一般的なマグネトロンスパッタリング装置を用い、タンタルターゲットを用いて指向性スパッタリング法にて成膜する。ここでの第1バリア膜21の膜厚は、ファセット防止として用いるため2nm以上あれば十分である。また、次工程で選択的に接続孔18底部の第1バリア膜21のみを除去するために、8nm以下にすることが望ましい。
Next, an example of a method of forming the first barrier film on the inner surfaces of the
次に、図6(3)に示すように、接続孔18底部の第1バリア膜を選択的に除去(開口)して、連続して、接続孔18底部の上記ストッパ膜15を除去して、接続孔18を延長形成する。この方法としては、タンタル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、基板バイアスを1000Wに、ターゲットDCパワーを5kWに設定し、雰囲気をアルゴン100%とし、雰囲気の圧力を67mPaとして、タンタル(Ta)の成膜とエッチングがいわゆるベタ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、配線溝17の上部、側壁部、底部、および接続孔18上部、側壁部では第1バリア膜21が残存した状態を維持しながら、アスペクト比が高い接続孔18底部では、バイアスエッチングの成分が大きくなることにより、第1バリア膜21およびストッパ膜15が選択的に除去される。これによって、接続孔18が延長形成される。
Next, as shown in FIG. 6 (3), the first barrier film at the bottom of the
次に、図6(4)に示すように、しかるべき脱ガス処理を行った後、上記配線溝17および接続孔18の内面に、上記第1バリア膜21を介して第2バリア膜22を形成する。この第2バリア膜22は、銅配線の層間絶縁膜に対する拡散防止膜となるもので、例えばタンタル(Ta)を例えば10nmの厚さに成膜して形成する。この成膜は、例えば一般的なマグネトロンスパッタリング装置を用いて、タンタルターゲットを用いて指向性スパッタリング法にて成膜する。
Next, as shown in FIG. 6 (4), after performing an appropriate degassing process, the
次に、図7(5)に示すように、上記配線溝17および接続孔18の内部に、上記第1バリア膜21および第2バリア膜22を介して、銅もしくは銅を含む合金からなる配線材料23を埋め込む。この配線材料の形成は、例えば、電解めっき法もしくはスパッタリング法もしくはCVD法を用いる。上記電解めっき法を用いる場合、予め、上記配線溝17および接続孔18の内面に銅めっきのシードとなる層(図示せず)を形成しておく。上記第2バリア膜22の成膜は上記配線溝17および接続孔18の内面にカバレッジ良く形成される必要がある。そのため、例えばその成膜には、好ましくは指向性スパッタリング法を用いるのが良く、例えばそのような成膜方法には、自己放電イオン化スパッタリング法、遠距離スパッタリング法などがある。また、第1バリア膜21と第2バリア膜22は、同一の材料を用いるのが、信頼性向上の観点から望ましい。
Next, as shown in FIG. 7 (5), the wiring made of copper or an alloy containing copper is inserted into the
次いで、絶縁膜16上の余剰な配線材料23および第1バリア膜21、第2バリア膜22を除去する。この除去加工には、例えば化学的機械研磨を用いる。この結果、配線溝17に第1バリア膜21、第2バリア膜22を介して配線材料23からなる第2配線24が形成され、接続孔18の内部に第1バリア膜21、第2バリア膜22を介して配線材料23からなるプラグ25が形成される。
Next, the
次に、図7(6)に示すように、銅の拡散および酸化を防止する防止層26を形成する。この防止層26は、例えば、炭化シリコン窒化膜(SiCN)膜で形成する。
Next, as shown in FIG. 7 (6), a
上記製造方法(第2実施例)によれば、ストッパ膜15を高い選択性をもって除去加工できるので、接続孔18開口部、配線溝17開口部での、いわゆる肩落ちの発生は起こらないため、より微細な世代に対しても配線間あるいは配線と接続孔との間のショートマージンが確保され、さらに配線材料の埋め込み時のピンチオフにも有利な形状とすることができるので、より微細な世代に対しても、高信頼性な配線構造となるという利点があり、従来の配線構造よりも桁違いの耐圧効果を得ることができる。また、接続孔18底部の第1バリア膜21およびストッパ膜15の除去加工を連続して行うことから、第1実施例よりも製造工程が短縮されるとい利点がある。
According to the manufacturing method (second embodiment), since the
上記第1、第2実施例では、配線溝17が形成される絶縁膜16が一層の絶縁膜であったが、複数層の絶縁膜を用いたデュアルダマシン構造においても、接続孔底部のストッパ膜を除去するプロセスにおいて、本発明の上記第1バリア膜21、第2バリア膜22を形成する製造工程を適用することができる。
In the first and second embodiments, the insulating
また、上記第1、第2実施例において、第1バリア膜21の形成工程と第1バリア膜21の除去工程とを同一チャンバ内で行うことが好ましい。また上記第1バリア膜21の形成工程と上記第1バリア膜21の除去工程と上記ストッパ膜15の除去工程とを同一チャンバ内で行うことが好ましい。さらには、第1バリア膜21の形成工程と第1バリア膜21の除去工程とストッパ膜15の除去工程と第2バリア膜22の形成工程とを同一チャンバ内で行うことが好ましい。このように同一チャンバ内で行うことにより、酸化性雰囲気にさらすことなくできるので、不必要な酸化膜の形成が成されないので、配線信頼性を高めることができる。また、工程館の搬送時間を無くすことができるので、TAT(Turn
Around Time)の短縮が図れる。
In the first and second embodiments, the
Around Time) can be shortened.
15…ストッパ膜、16…絶縁膜、17…配線溝、18…接続孔、21…第1バリア膜、22…第2バリア膜、23…配線材料
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記接続孔底部を除く前記配線溝と接続孔との内面に第1バリア膜を形成する工程と、
前記接続孔底部の前記ストッパ膜を除去して前記接続孔を延長する工程と、
少なくとも前記接続孔の底部に第2バリア膜を形成する工程と、
前記配線溝および接続孔の内部に前記第1バリア膜および第2バリア膜を介して配線材料を埋め込む工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a stopper film and an insulating film on the substrate, forming a wiring groove in the insulating film and a connection hole at the bottom of the wiring groove;
Forming a first barrier film on the inner surface of the wiring groove and the connection hole excluding the bottom of the connection hole;
Removing the stopper film at the bottom of the connection hole and extending the connection hole;
Forming a second barrier film at least at the bottom of the connection hole;
And a step of burying a wiring material in the wiring trench and the connection hole through the first barrier film and the second barrier film.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first barrier film is formed of a material capable of selectively etching the stopper film.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first barrier film forming step and the stopper film removing step are continuously performed.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first barrier film and the second barrier film are formed of the same material.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the forming step of the first barrier film and the removing step of the first barrier film are performed in the same chamber.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first barrier film forming step, the first barrier film removing step, and the stopper film removing step are performed in the same chamber.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The first barrier film forming step, the first barrier film removing step, the stopper film removing step, and the second barrier film forming step are performed in the same chamber. A method for manufacturing a semiconductor device.
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