JP2008010534A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、配線下部に空洞が設けられた溝配線構造の半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a trench wiring structure in which a cavity is provided in a lower part of a wiring, and a manufacturing method thereof.
LSIの高集積化による配線の微細化に伴い、配線間容量の増大による信号遅延時間増大が問題となってきており、近年では、低誘電率膜(low-k膜)を用いた微細な多層配線が不可欠となっている。低誘電率膜の材料としては、従来より比較的実績のある比誘電率3.5程度のフッ素含有酸化シリコン(FSG)のみならず、ポリアリールエーテル(PAE)に代表される有機シリコン系のポリマーや、ハイドロゲンシルセキオサン(HSQ)、メチルシルセスキオキサン(MSQ)に代表される無機系材料などの比誘電率2.7前後の低誘電率膜が挙げられる。さらに、45nm世代以降のLSIの配線については、より低誘電率の層間絶縁膜が必要とされているが、近年では上記低誘電率膜を多孔質(ポーラス)化させて比誘電率を2.2前後とした材料の導入が試みられている。 Along with the miniaturization of wiring due to high integration of LSIs, signal delay time has increased due to an increase in inter-wiring capacitance. In recent years, fine multilayers using low dielectric constant films (low-k films) have become a problem. Wiring is essential. As a material for the low dielectric constant film, not only fluorine-containing silicon oxide (FSG) having a relative dielectric constant of about 3.5, which has been relatively proven in the past, but also an organic silicon polymer represented by polyaryl ether (PAE) And a low dielectric constant film having a relative dielectric constant of about 2.7 such as an inorganic material typified by hydrogen silsesquioxane (HSQ) or methyl silsesquioxane (MSQ). Furthermore, an interlayer insulating film having a lower dielectric constant is required for LSI wiring of the 45 nm generation and later. In recent years, the low dielectric constant film is made porous so that the relative dielectric constant is 2. Attempts have been made to introduce about 2 materials.
以上のような低誘電率膜を使用した配線よりもさらに容量を低減させる構成として、いわゆるエアーギャップ配線が注目されている。エアーギャップ配線とは、層間絶縁膜の部分に空気あるいは真空の空洞領域が形成されている配線構成であり、例えばアルミニウム(Al)を用いた配線については、次の方法により形成することができる。 A so-called air gap wiring is attracting attention as a configuration for further reducing the capacitance as compared with the wiring using the low dielectric constant film as described above. The air gap wiring is a wiring structure in which an air or vacuum cavity region is formed in an interlayer insulating film portion. For example, a wiring using aluminum (Al) can be formed by the following method.
アルミニウム配線を形成した後に、後に除去することになるダミー絶縁膜をアルミニウム配線間に埋め込み、アルミニウム配線が露出するまで化学機械研磨法(CMP)等で平坦化する。続けて、エッチバックでさらにアスペクトを下げ、その後ダミー絶縁膜および配線上にブリッジ膜となる絶縁膜を積層し、その後なんらかの反応を利用してダミー絶縁膜を除去する。このダミー絶縁膜を除去してできた空間をエアーギャップとする手法が採用されている(例えば、特許文献1参照。)。 After forming the aluminum wiring, a dummy insulating film to be removed later is embedded between the aluminum wirings, and planarized by chemical mechanical polishing (CMP) or the like until the aluminum wiring is exposed. Subsequently, the aspect is further reduced by etch back, and then a dummy insulating film and an insulating film to be a bridge film are stacked on the wiring, and then the dummy insulating film is removed by utilizing some reaction. A method is adopted in which a space formed by removing the dummy insulating film is used as an air gap (see, for example, Patent Document 1).
また、銅(Cu)配線については、例えば、次のような方法でエアーギャップ配線が形成される。後に除去することになるダミー絶縁膜を用いたデュアルダマシン構造に対してCu配線を形成した後、配線間のダミー絶縁膜をエッチバックにより除去し、続けてカバレッジの悪い条件で絶縁膜を形成することにより配線層間にボイドのような空洞領域を備えたエアーギャップ配線を形成することができる(例えば、非特許文献1参照。)。 For copper (Cu) wiring, for example, air gap wiring is formed by the following method. After Cu wiring is formed on a dual damascene structure using a dummy insulating film to be removed later, the dummy insulating film between the wirings is removed by etch back, and then an insulating film is formed under conditions with poor coverage. As a result, an air gap wiring having a void region such as a void can be formed between the wiring layers (see, for example, Non-Patent Document 1).
いずれの手法についても、誘電率(k)=1の真空領域を備えるため、劇的な容量低減を達成することができるが、ダミー絶縁膜を成膜する工程、カバレッジの悪い絶縁膜を成膜する工程、その後の平坦化工程等、エアーギャップ構造を有さない配線形成プロセスと比較して、複雑でかつTAT(Turn Around Time)の長い工程が追加されるため、製造コストも増大するといった問題が発生する。さらに、エアーギャップ構造を形成する際の、絶縁膜のカバレッジ制御が困難である。具体的には、一般的には配線構造には疎密差があるため、比較的密な領域ではカバレッジの低下によりピンチオフしやすいため、エアーギャップ構造が形成しやすいが、比較的疎な領域では絶縁膜がコンフォーマルに形成されるため、エアーギャップ構造を形成するのは非常に困難である。 In any method, since a vacuum region with a dielectric constant (k) = 1 is provided, dramatic capacity reduction can be achieved. However, a dummy insulating film is formed, and an insulating film with poor coverage is formed. Compared with the wiring formation process that does not have an air gap structure, such as a subsequent process and a flattening process, a process that is complicated and has a long TAT (Turn Around Time) is added, resulting in an increase in manufacturing cost. Occurs. Furthermore, it is difficult to control the coverage of the insulating film when forming the air gap structure. Specifically, since there is generally a difference in density between wiring structures, an air gap structure is likely to be formed in a relatively dense area because pinch-off is likely due to a decrease in coverage, but insulation is provided in a relatively sparse area. Since the film is formed conformally, it is very difficult to form an air gap structure.
解決しようとする問題点は、比較的疎な配線構造の領域では絶縁膜がコンフォーマルに形成されるため、エアーギャップ構造を形成するのは非常に困難な点であり、また、エアーギャップ構造を形成する工程が複雑かつTATが長い点である。 The problem to be solved is that it is very difficult to form an air gap structure because an insulating film is formed conformally in a relatively sparse wiring structure region. The formation process is complicated and TAT is long.
本発明は、複雑・長時間の工程を追加することなく、配線疎密に依存しないエアーギャップ構造を有する配線を容易に形成することを課題とする。 It is an object of the present invention to easily form a wiring having an air gap structure that does not depend on wiring density without adding complicated and long-time processes.
本発明の半導体装置は、基板上に形成した第1絶縁膜を除去して形成された空洞と、前記第1絶縁膜上に形成されたもので前記空洞上の第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜に形成された配線溝より前記基板に達するようにバリア膜を介して形成された配線とを備えた半導体装置であって前記配線側壁に前記空洞につながるスリットを備えたことを特徴とする。 A semiconductor device of the present invention includes a cavity formed by removing a first insulating film formed on a substrate, a second insulating film formed on the first insulating film and on the cavity, and the first (2) A semiconductor device including a wiring formed through a barrier film so as to reach the substrate from a wiring groove formed in an insulating film, wherein a slit connected to the cavity is provided in the wiring side wall. To do.
本発明の半導体装置では、配線側壁に空洞につながるスリットを備えたことから、第1絶縁膜をスリットより除去することで、配線の粗密に依存することなく、空洞の形成が可能となる。 In the semiconductor device of the present invention, since the slit connected to the cavity is provided on the wiring side wall, the cavity can be formed without depending on the density of the wiring by removing the first insulating film from the slit.
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に、第1絶縁膜と、該第1絶縁膜上に該第1絶縁膜と材質の異なる第2絶縁膜とを形成する工程と、前記第2絶縁膜と前記第1絶縁膜とに溝を形成した後、該溝内にバリア膜を介して配線材料を埋め込む工程と、前記第2絶縁膜上の余剰な材料を除去して、前記溝内にバリア膜を介して前記配線材料からなる配線を形成する工程とを備えた半導体装置の製造方法であって、前記第2絶縁膜上の余剰な材料を除去する工程で前記配線側壁に前記第1絶縁膜に達するスリットを形成し、前記スリットから前記第1絶縁膜を除去して該除去領域に空洞を形成することを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a first insulating film on a substrate; and forming a second insulating film made of a material different from the first insulating film on the first insulating film; Forming a groove in the insulating film and the first insulating film, and then embedding a wiring material in the groove through a barrier film; and removing excess material on the second insulating film; Forming a wiring made of the wiring material through a barrier film, wherein a step of removing excess material on the second insulating film in the wiring sidewall A slit reaching one insulating film is formed, and the first insulating film is removed from the slit to form a cavity in the removal region.
本発明の半導体装置の製造方法では、第2絶縁膜上の余剰な材料を除去する工程で配線側壁にスリットを形成することから、スリットを形成するための工程増がない。またスリットから第1絶縁膜を除去することから、配線の粗密に依存することなく、空洞が形成される。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the slit is formed in the wiring side wall in the step of removing the excess material on the second insulating film, so that there is no increase in the number of steps for forming the slit. Further, since the first insulating film is removed from the slit, a cavity is formed without depending on the density of the wiring.
本発明の半導体装置によれば、配線の側壁に形成されたスリットから第1絶縁膜が除去されて空洞が形成されるため、配線の疎密に依存しないエアーギャップ構造を有するので、配線間容量を低減することができる。これによって、高性能半導体装置を提供することが可能になるという利点がある。 According to the semiconductor device of the present invention, since the first insulating film is removed from the slit formed in the sidewall of the wiring to form a cavity, the air gap structure that does not depend on the density of the wiring is provided. Can be reduced. This has the advantage that it is possible to provide a high-performance semiconductor device.
本発明の半導体装置の製造方法によれば、配線の側壁に形成したスリットから第1絶縁膜を除去して空洞を形成するため、配線の疎密に依存することなくエアーギャップ構造を形成することができるので、配線間容量を低減した配線構造を容易に形成できる。これによって、高性能半導体装置を提供することが可能になるという利点がある。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, since the first insulating film is removed from the slit formed in the side wall of the wiring to form the cavity, the air gap structure can be formed without depending on the density of the wiring. Therefore, a wiring structure with reduced wiring capacitance can be easily formed. This has the advantage that it is possible to provide a high-performance semiconductor device.
本発明の半導体装置に係る一実施の形態(半導体装置の第1実施例)を、図1の概略構成断面図によって説明する。 An embodiment (first example of a semiconductor device) according to the semiconductor device of the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG.
図1に示すように、基体(図示せず)に形成された下地11上に形成した第1絶縁膜(図示せず)を除去して空洞20が形成されている。この第1絶縁膜は、例えば有機系絶縁膜で形成される。この有機系絶縁膜は、例えばポリアリールエーテル膜で、例えば100nmの厚さに形成されている。上記空洞20上には、上記第1絶縁膜上に成膜した第2絶縁膜13が形成されている。この第2絶縁膜13は、例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で、例えば150nmの厚さに形成されている。この第2絶縁膜13には配線溝14が形成され、この配線溝14には、下地11に達するようにバリア膜15を介して配線17が形成されている。このバリア膜15は、例えばタンタル(Ta)膜で形成されている。このバリア膜15は、タンタル(Ta)膜に限定されることはなく、配線を形成する材料の拡散を防止するとともに酸素の配線17への侵入を防止するものであればよい。また配線17の側壁、具体的にはバリア膜15と第2絶縁膜13との間には上記空洞20につながるスリット18が形成されている。このスリット18は断続的に形成されているため、第2絶縁膜13の一部はバリア膜15を介して配線17に支持されているので、落ちることはない。
As shown in FIG. 1, a
上記第2絶縁膜13は、化学的機械研磨によってスリット18を形成しやすくするために、ポリアリールエーテル膜と炭化酸化シリコン膜との膜厚比を1以上にするのが望ましい。したがって、本実施例では上述のように設定した。
The second
上記第1絶縁膜と第2絶縁膜13とは、材質の異なる絶縁膜で形成され、例えば第2絶縁膜13を残して第1絶縁膜が選択的にエッチングされる材料で形成されるものであって、化学的機械研磨時にスリット18が形成されるものであればよい。例えば、第1絶縁膜を有機系絶縁膜で形成し、第2絶縁膜13を無機系絶縁膜で形成することができる。上記例では、有機系絶縁膜にポリアリールエーテル膜を用い、無機系絶縁膜に炭化酸化シリコン(SiOC)膜を用いているが、有機系絶縁膜にポリイミド系絶縁膜、ポリアミド系絶縁膜、その他の有機絶縁膜であってもよく、無機系絶縁膜に炭化窒化シリコン膜等、その他の無機絶縁膜であってもよい。
The first insulating film and the second
上記配線17上には、銅の拡散防止となる絶縁膜21が形成されている。通常、この絶縁膜21には、例えば炭化シリコン窒化膜(SiCN)を用い、例えば50nmの厚さに形成する。
An
本発明の半導体装置1では、配線17の側壁に空洞20につながるスリット18が形成されていることから、第1絶縁膜をスリット18より除去することで、配線17の粗密に依存することなく、空洞20の形成が可能となる。このように、配線の疎密に依存しないエアーギャップ構造を有するので、配線間容量を低減することができる。これによって、信号遅延を低減できるので、高速な高性能半導体装置を提供することが可能になるという利点がある。
In 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(製造方法の第1実施例)を、図2〜図4の製造工程断面図によって説明する。 Next, an embodiment (first example of the manufacturing method) according to the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention will be described with reference to the manufacturing process sectional views of FIGS.
図2(1)に示すように、基体(図示せず)に形成された下地11上に第1絶縁膜12が形成されている。この第1絶縁膜12は、例えばポリアリールエーテル膜で、例えば100nmの厚さに形成される。このポリアリールエーテル膜は、ポリアリールエーテルの前駆体をスピンコート法により塗布した後、例えば、350℃、60分のキュア処理を行うことにより形成することができる。さらに第1絶縁膜12上に、ハードマスクとなる第2絶縁膜13を形成する。上記第2絶縁膜13は、例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で、例えば150nmの厚さに形成される。このSiOC膜は、例えば平行平板型プラズマCVD装置を用い、シリコン源としてメチルシラン(SiCH3)を用いて成膜される。
As shown in FIG. 2A, a first insulating
ここでの第2絶縁膜13は、後の化学的機械研磨時にスリットを形成しやすくするために、ポリアリールエーテル膜と炭化酸化シリコン膜との膜厚比を1以上にするのが望ましい。本実施例では上述のように設定した。
Here, the second insulating
上記第1絶縁膜12と第2絶縁膜13とは、材質の異なる絶縁膜で形成され、例えば第2絶縁膜13を残して第1絶縁膜12が選択的にエッチングされる材料で形成されるものであって、後の化学的機械研磨時にスリットが形成されるものであればよい。例えば、第1絶縁膜12を有機系絶縁膜で形成し、第2絶縁膜13を無機系絶縁膜で形成することができる。上記例では、有機系絶縁膜にポリアリールエーテル膜を用い、無機系絶縁膜に炭化酸化シリコン(SiOC)膜を用いているが、有機系絶縁膜にポリイミド系絶縁膜、ポリアミド系絶縁膜、その他の有機絶縁膜であってもよく、無機系絶縁膜に炭化窒化シリコン膜等、その他の無機絶縁膜であってもよい。
The first insulating
次に、図2(2)に示すように、配線溝パターンのレジストマスク(図示せず)を用いて、第2絶縁膜13と第1絶縁膜12に配線溝14を形成する。第2絶縁膜13のSiOC膜の加工は、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、エッチングガスとしてオクタフルオロブタン(C4F8)とアルゴン(Ar)との混合ガスを用い、バイアスパワーを400Wに設定する。ガス流量比を、例えば、C4F8:Ar=1:4とし、基板温度は20℃に設定する。また、ポリアリールエーテル膜のエッチングは、例えば一般的な高密度プラズマエッチング装置を用い、例えばエッチングガスとしてアンモニア(NH3)を用いて行う。RFパワーは150W、基盤温度は10℃に設定する。このエッチング条件での配線溝パターンレジストのエッチングレートはポリアリールエーテル膜のエッチングレートとほぼ同等であるため、ポリアリールエーテル膜の開口中にレジストマスクは後退していくが、SiOCからなるハードマスク13があるため、配線溝14は良好な開口形状を得ることができる。その後、しかるべき薬液を用いた後洗浄により、配線溝14が完成される。
Next, as shown in FIG. 2B,
次に、図3(3)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14の内面にバリア膜15を形成する。このバリア膜15は、銅配線の第2絶縁膜13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 (3), after performing an appropriate degassing process, a
次いで、上記配線溝14の内部にバリア膜15を介して、銅もしくは銅を含む合金からなる配線材料16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14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。ここでのバリア膜15の成膜は配線溝14にカバレッジ良く形成される必要があり、好ましくは自己放電イオン化スパッタリング法もしくは遠距離スパッタリング法などの指向性スパッタリング法を用いるのが良い。また、後の化学的機械研磨時にスリットを形成しやすくするために、バリア膜15の膜厚は10nm以上にするのが望ましい。本実施例では10nmに設定した。
Next, a
次に、図3(4)に示すように、第1絶縁膜12上の余剰な配線材料16およびバリア膜15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14にバリア膜15を介して配線材料16からなる配線17が形成される。
Next, as shown in FIG. 3D, the
このとき、図4(5)に示すように、第1絶縁膜12のポリアリールエーテル膜、第2絶縁膜13のSiOC膜、バリア膜15のタンタル膜の膜厚を上記のごとく設定していることにより、化学的機械研磨時に第1絶縁膜12上のバリア膜15が除去された時点で、バリア膜15の膜ストレスの解放により、配線17側壁のバリア膜15と第2絶縁膜13との間に、第1絶縁膜12まで到達するスリット18が形成される。このスリット18は断続的に形成されるという特徴がある。ここでのポイントは、特別な工程を追加することなく、スリット18を形成される点である。また、配線17表面には銅酸化膜19が形成される。
At this time, as shown in FIG. 4 (5), the thicknesses of the polyaryl ether film of the first insulating
次に、図4(6)に示すように、配線17表面の銅酸化膜19〔前記図4(5)参照〕を除去することを目的として、前処理を行う。この前処理は、例えばアンモニア(NH3)プラズマを用いる。このプラズマ処理により、配線17表面の銅酸化膜が還元されて除去される。これとともに、上記スリット18を介して、第1絶縁膜12のポリアリールエーテル膜が除去され、空洞(エアーギャップ)20が形成される。このように、空洞20の形成工程は、スリット18を介したポリアリールエーテル膜の除去であるため、配線17の疎密に依存することなく、容易且つ確実に、さらには特別な工程を追加することなく、エアーギャップ構造を形成することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 4 (6), pre-processing is performed for the purpose of removing the copper oxide film 19 [see FIG. 4 (5)] on the surface of the
次に、図4(7)に示すように、上記前処理に続けて、上記配線17を被覆するように、銅の拡散防止となる絶縁膜21を形成する。通常、この絶縁膜21には、例えば炭化シリコン窒化膜(SiCN)を用い、例えば50nmの厚さに形成する。上記工程を行うことによって、エアーギャップ構造を有する銅配線を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 4 (7), following the pretreatment, an insulating
上記第1実施例の製造方法では、第1絶縁膜12の有機絶縁膜としてポリアリールエーテルを用いたが、絶縁膜21の前処理として用いるプラズマによりエッチング(除去)される物であれば、どのような有機絶縁膜でも適用することができる。また、有機絶縁膜上のキャップ膜となる第2絶縁膜13としてSiOC膜を用いたが、PAEと加工選択比が十分に取れるものであればどんな無機系絶縁膜でも適用することができる。ただし、効率的にスリットを形成するためには、圧縮応力を有するような膜であることが望ましい。
In the manufacturing method of the first embodiment, polyaryl ether is used as the organic insulating film of the first insulating
上記製造方法(第1実施例)では、第2絶縁膜13上の余剰な材料を除去する工程で配線17の側壁にスリット18を形成することから、スリット18を形成するための工程増がない。またスリット18から第1絶縁膜12を除去することから、配線17の粗密に依存することなく、空洞20が形成される。このように、配線17の疎密に依存しないエアーギャップ構造を形成することができるので、配線間容量を低減した配線構造を形成できる。これによって、信号遅延を低減できるので、高速な高性能半導体装置を提供することが可能になるという利点がある。
In the manufacturing method (first embodiment), the
本発明の半導体装置に係る一実施の形態(半導体装置の第2実施例)を、図5の概略構成断面図によって説明する。 An embodiment (second example of a semiconductor device) according to a semiconductor device of the present invention will be described with reference to a schematic sectional view of FIG.
図5に示すように、基体(図示せず)に形成された下地11上に形成した第1絶縁膜(図示せず)を除去して空洞20が形成されている。この第1絶縁膜は、例えば有機系絶縁膜で形成される。この有機系絶縁膜は、例えばポリアリールエーテル膜で、例えば100nmの厚さに形成されている。上記空洞20上には、上記第1絶縁膜上に成膜した第2絶縁膜13が形成されている。この第2絶縁膜13は、例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で、例えば150nmの厚さに形成されている。この第2絶縁膜13には配線溝14が形成され、この配線溝14には、下地11に達するようにバリア膜15を介して配線17が形成されている。このバリア膜15は、例えばシリコン含有マンガン酸化(MnSixOy)膜で形成されている。このバリア膜15は、シリコン含有マンガン酸化膜に限定されることはなく、配線を形成する材料の拡散を防止するとともに酸素の配線17への侵入を防止するものであればよい。また配線17の側壁には上記空洞20につながるスリット18が形成されている。このスリット18は断続的に形成されているため、第2絶縁膜13はバリア膜15を介して配線17に支持されているので、落ちることはない。
As shown in FIG. 5, a
上記第1絶縁膜と第2絶縁膜13とは、材質の異なる絶縁膜で形成され、例えば第2絶縁膜13を残して第1絶縁膜が選択的にエッチングされる材料で形成されるものであって、化学的機械研磨時にバリア膜15の一部がエッチングされてスリット18が形成されるものであればよい。例えば、第1絶縁膜を有機系絶縁膜で形成し、第2絶縁膜13を無機系絶縁膜で形成することができる。上記例では、有機系絶縁膜にポリアリールエーテル膜を用い、無機系絶縁膜に炭化酸化シリコン(SiOC)膜を用いているが、有機系絶縁膜にポリイミド系絶縁膜、ポリアミド系絶縁膜、その他の有機絶縁膜であってもよく、無機系絶縁膜に炭化窒化シリコン膜等、その他の無機絶縁膜であってもよい。
The first insulating film and the second insulating
上記配線17上には、銅の拡散防止となる絶縁膜21が形成されている。通常、この絶縁膜21には、例えば炭化シリコン窒化膜(SiCN)を用い、例えば50nmの厚さに形成する。
An insulating
本発明の半導体装置2では、配線17の側壁に空洞20につながるスリット18を備えたことから、第1絶縁膜をスリット18より除去することで、配線17の粗密に依存することなく、空洞20の形成が可能となる。このように、配線の疎密に依存しないエアーギャップ構造を有するので、配線間容量を低減することができる。これによって、信号遅延を低減できるので、高速な高性能半導体装置を提供することが可能になるという利点がある。
In 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(製造方法の第2実施例)を、図6〜図8の製造工程断面図によって説明する。 Next, an embodiment (second example of the manufacturing method) according to the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention will be described with reference to the manufacturing process cross-sectional views of FIGS.
図6(1)に示すように、基体(図示せず)に形成された下地11上に第1絶縁膜12が形成されている。この第1絶縁膜12は、例えばポリアリールエーテル膜で、例えば100nmの厚さに形成される。このポリアリールエーテル膜は、ポリアリールエーテルの前駆体をスピンコート法により塗布した後、例えば、350℃、60分のキュア処理を行うことにより形成することができる。さらに第1絶縁膜12上に、ハードマスクとなる第2絶縁膜13を形成する。上記第2絶縁膜13は、例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で、例えば150nmの厚さに形成される。このSiOC膜は、例えば平行平板型プラズマCVD装置を用い、シリコン源としてメチルシラン(SiCH3)を用いて成膜される。
As shown in FIG. 6A, a first insulating
上記第1絶縁膜12と第2絶縁膜13とは、材質の異なる絶縁膜で形成され、例えば第2絶縁膜13を残して第1絶縁膜12が選択的にエッチングされる材料で形成されるものであればよい。例えば、第1絶縁膜12を有機系絶縁膜で形成し、第2絶縁膜13を無機系絶縁膜で形成することができる。上記例では、有機系絶縁膜にポリアリールエーテル膜を用い、無機系絶縁膜に炭化酸化シリコン(SiOC)膜を用いているが、有機系絶縁膜にポリイミド系絶縁膜、ポリアミド系絶縁膜、その他の有機絶縁膜であってもよく、無機系絶縁膜に炭化窒化シリコン膜等、その他の無機絶縁膜であってもよい。
The first insulating
次に、図6(2)に示すように、配線溝パターンのレジストマスク(図示せず)を用いて、第2絶縁膜13と第1絶縁膜12に配線溝14を形成する。第2絶縁膜13のSiOC膜の加工は、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、エッチングガスとしてオクタフルオロブタン(C4F8)とアルゴン(Ar)との混合ガスを用い、バイアスパワーを400Wに設定する。ガス流量比を、例えば、C4F8:Ar=1:4とし、基板温度は20℃に設定する。また、第1絶縁膜12のポリアリールエーテル膜のエッチングは、例えば一般的な高密度プラズマエッチング装置を用い、例えばエッチングガスとしてアンモニア(NH3)を用いて行う。RFパワーは150W、基盤温度は10℃に設定する。このエッチング条件での配線溝パターンレジストのエッチングレートはポリアリールエーテル膜のエッチングレートとほぼ同等であるため、ポリアリールエーテル膜の開口中にレジストマスクは後退していくが、SiOCからなる第2絶縁膜13があるため、配線溝14は良好な開口形状を得ることができる。その後、しかるべき薬液を用いた後洗浄により、配線溝14が完成される。
Next, as shown in FIG. 6B,
次に、図7(3)に示すように、しかるべき脱ガス処理を行った後、配線材料の銅を電解めっき法で成膜するためのシード層としてマンガン含有銅(CuMn)膜31をスパッタリング法にて成膜する。ここでのCuMn膜の成膜は、配線溝14内面にカバレッジ良く形成される必要があり、好ましくは自己放電イオン化スパッタリング法もしくは遠距離スパッタリング法などの指向性スパッタリング法を用いるのが良い。本実施例では、マンガン(Mn)を5%含む銅(Cu)ターゲットを用いて、指向性スパッタリング法にて、60nmの厚さに成膜した。続けて、電気めっき法もしくはスパッタリング法もしくはCVD法にて配線材料16を銅(Cu)で形成する。
Next, as shown in FIG. 7 (3), after performing an appropriate degassing process, a manganese-containing copper (CuMn)
次に、図7(4)に示すように、熱処理を行って、マンガン含有銅(CuMn)膜31中のマンガン(Mn)と第2絶縁膜13中のシリコンとを反応させて、銅(Cu)に対してバリア性の高いシリコン含有マンガン酸化膜(MnSixOy)からなるバリア膜32を自己整合的に形成する。上記熱処理は、例えば、窒素(N2)が100%の雰囲気中にて、300℃のアニール処理温度で行う。上記シリコン含有マンガン酸化膜の生成メカニズムは、例えば、第65回応用物理学会予稿集p711「銅配線における自己拡散バリア層形成のための新規合金元素」に開示されている。また、上記熱処理では、反応しきれないマンガンが上記配線材料16表面に析出され、マンガン層33となる。なお、バリア膜32の配線材料16側に上記マンガン含有銅(CuMn)膜(図示せず)が残る場合もある。
Next, as shown in FIG. 7 (4), heat treatment is performed to react manganese (Mn) in the manganese-containing copper (CuMn)
次に、図8(5)に示すように、第2絶縁膜13上の余剰な配線材料16およびマンガン層33〔前記図7(4)参照〕およびバリア膜32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14にバリア膜32を介して配線材料16からなる配線17が形成される。この化学的機械研磨では、pH9以上のアルカリ性スラリーを用いることにより、シリコン含有マンガン酸化膜からなるバリア膜32がエッチングされるので、配線17側壁とSiOCからなる第2絶縁膜13との間に、第1絶縁膜12に到達するスリット18を形成する。このスリット18は断続的に形成されるという特徴がある。ここでのポイントは、特別な工程を追加することなく、スリット18を形成することができる点である。また、配線17表面には銅酸化膜19が形成される。
Next, as shown in FIG. 8 (5), the
次に、図8(6)に示すように、配線17表面の銅酸化膜19〔前記図8(5)参照〕を除去することを目的として、前処理を行う。この前処理は、例えばアンモニア(NH3)プラズマを用いる。このプラズマ処理により、配線17表面の銅酸化膜19が還元されて除去される。これとともに、上記スリット18を介して、第1絶縁膜12〔前記図8(5)参照〕のポリアリールエーテル膜が除去され、空洞(エアーギャップ)20が形成される。このように、空洞20の形成工程は、スリット18を介したポリアリールエーテル膜の除去であるため、配線17の疎密に依存することなく、容易且つ確実に、さらには特別な工程を追加することなく、エアーギャップ構造を形成することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 8 (6), pre-processing is performed for the purpose of removing the copper oxide film 19 [see FIG. 8 (5)] on the surface of the
次に、図8(7)に示すように、上記前処理に続けて、上記配線17を被覆するように、銅の拡散防止となる絶縁膜21を形成する。通常、この絶縁膜21には、例えば炭化シリコン窒化膜(SiCN)を用い、例えば50nmの厚さに形成する。上記工程を行うことによって、エアーギャップ構造を有する銅配線を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 8 (7), following the pretreatment, an insulating
上記製造方法(第2実施例)によれば、第1絶縁膜12の有機絶縁膜としてポリアリールエーテルを用いたが、絶縁膜21の前処理として用いるプラズマによりエッチング(除去)される物であれば、どのような有機絶縁膜でも適用することができる。また、有機絶縁膜上のキャップ膜となる第2絶縁膜13としてSiOC膜を用いたが、有機絶縁膜と加工選択比が十分に取れるものであればどのような無機系絶縁膜でも適用することができる。
According to the above manufacturing method (second embodiment), polyaryl ether is used as the organic insulating film of the first insulating
またシード層としてCuMnを用いたが、スラリーによってスリットを発生させることができる組み合わせであれば何でもよい。例えば、CuMnの代わりにチタン(Ti)を用いて、スラリーに、フッ酸(HF)を含むような、酸性のものを用いれば、同様のスリットおよびエアーギャップ構造を形成することができる。また、バリアメタルは単層である必要は無く、例えばCuMnを成膜した後にタンタル(Ta)膜を形成すれば、スリット18の内側(配線側)にバリア膜を有する配線を形成することができ、より高信頼性な半導体装置を提供することが可能である。 Moreover, although CuMn was used as the seed layer, any combination can be used as long as the slit can be generated by the slurry. For example, if titanium (Ti) is used instead of CuMn and an acidic material containing hydrofluoric acid (HF) is used for the slurry, the same slit and air gap structure can be formed. Further, the barrier metal does not have to be a single layer. For example, if a tantalum (Ta) film is formed after forming CuMn, a wiring having a barrier film can be formed inside the slit 18 (wiring side). It is possible to provide a semiconductor device with higher reliability.
上記製造方法(第2実施例)では、第2絶縁膜13上の余剰な材料を除去する工程で配線17の側壁にスリット18を形成することから、スリット18を形成するための工程増がない。またスリット18から第1絶縁膜12を除去することから、配線17の粗密に依存することなく、空洞20が形成される。このように、配線17の疎密に依存しないエアーギャップ構造を形成することができるので、配線間容量を低減した配線構造を形成できる。これによって、信号遅延を低減できるので、高速な高性能半導体装置を提供することが可能になるという利点がある。
In the above manufacturing method (second embodiment), the
本発明の半導体装置に係る一実施の形態(半導体装置の第3実施例)を、図9の概略構成断面図によって説明する。 An embodiment (third example of a semiconductor device) according to the semiconductor device of the present invention will be described with reference to the schematic configuration cross-sectional view of FIG.
図9に示すように、基体(図示せず)に形成された下地41上に配線層絶縁膜42が形成されている。この配線層絶縁膜42は、例えば、ポリアリールエーテル膜と炭化酸化シリコン(SiOC)膜との積層膜で形成されている。この配線層絶縁膜12に、バリア膜43を介して銅(Cu)からなる第1配線44が形成されている。ここでは第1配線44は、その高さが150nmとなるよう形成され、第1配線44上に銅の拡散および酸化を防止するストッパ膜45が形成されている。このストッパ膜45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ている。
As shown in FIG. 9, a wiring
上記ストッパ膜45上には、配線溝および接続孔を形成するための絶縁膜46が形成されている。この絶縁膜16は、例えば、接続孔を形成する絶縁膜461が、例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で、例えば150nmの厚さに形成され、空洞58を介して、第2絶縁膜463が、例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で、例えば80nmの厚さに形成されている。
On the
上記絶縁膜46の第2絶縁膜463には配線溝49が形成され、配線溝49の下方の接続孔を形成する絶縁膜461には接続孔50が形成されている。この配線溝49には、接続孔を形成する絶縁膜461に達するようにバリア膜52を介して第2配線54が形成され、この第2配線54の下部の上記接続孔50にはこの側壁部にバリア膜52を介して第2配線54に連続して第1配線44に接続されるプラグ55が形成されている。このバリア膜52は、例えばシリコン含有マンガン酸化(MnSixOy)膜で形成されている。なおバリア膜52は、シリコン含有マンガン酸化膜に限定されることはなく、配線を形成する材料の拡散を防止するとともに酸素の配線材料への侵入を防止するものであればよい。また第2配線54の側壁には上記空洞58につながるスリット56が断続的に形成されている。このスリット56は断続的に形成されているため、第2絶縁膜463はバリア膜52を介して配線54に支持されているので、落ちることはない。
A
本実施例では、上記スリット56は、バリア膜52の一部を除去することで形成されているが、第1実施例のように、バリア膜52と第2絶縁膜463との間に設けることも可能である。
In this embodiment, the
上記第2配線54上には、銅の拡散防止となる絶縁膜59が形成されている。通常、この絶縁膜59には、例えば炭化シリコン窒化膜(SiCN)を用い、例えば50nmの厚さに形成する。
On the
本発明の半導体装置3では、第2配線54の側壁に空洞58につながるスリット56が形成されていることから、第1絶縁膜をスリット56より除去することで、第2配線54の粗密に依存することなく、空洞58の形成が可能となる。このように、配線の疎密に依存しないエアーギャップ構造を有するので、配線間容量を低減することができる。これによって、信号遅延を低減できるので、高速な高性能半導体装置を提供することが可能になるという利点がある。
In 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(製造方法の第3実施例)を、図10〜図13の製造工程断面図によって説明する。 Next, an embodiment (third example of the manufacturing method) 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10(1)に示すように、基体(図示せず)に形成された下地41上に配線層絶縁膜42が形成されている。この配線層絶縁膜42は、例えば、ポリアリールエーテル膜と炭化酸化シリコン(SiOC)膜との積層膜で形成される。この配線層絶縁膜12に、バリア膜43を介して銅(Cu)からなる第1配線44を形成する。ここでは第1配線44は、その高さが150nmとなるよう形成され、第1配線44上に銅の拡散および酸化を防止するストッパ膜45を形成する。このストッパ膜45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。このSiCN膜の成膜には、例えば平行平板型のプラズマCVD装置を用いて、メチルシラン(SiCH3)をシリコン源として、圧力を550Pa、プラズマパワーを200Wとして成膜する。
As shown in FIG. 10A, a wiring
続けて上記ストッパ膜45上に配線溝および接続孔を形成するための絶縁膜46を形成する。この絶縁膜16は、例えば、接続孔を形成する絶縁膜461を、例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で形成し、配線を形成する第1絶縁膜462を例えばポリアリールエーテル膜で形成し、第2絶縁膜463を例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で形成する。このように、絶縁膜46は、接続孔を形成する絶縁膜461、第1絶縁膜462、第2絶縁膜463の積層膜で形成される。上記接続孔を形成する絶縁膜461は炭化酸化シリコン(SiOC)膜で例えば150nmの厚さに成膜される。この炭化シリコン酸化膜461は、例えば平行平板型プラズマCVD装置を用い、その原料ガスのうちシリコン源としてメチルシラン(SiCH3)を用いる。上記第1絶縁膜462のポリアリールエーテル膜は、ポリアリールエーテルの前駆体をスピンコート法により塗布した後、例えば350℃、30分のキュア処理を行うことにより形成する。上記第2絶縁膜463の炭化酸化シリコン(SiOC)膜は、例えば80nmの厚さに成膜される。この炭化シリコン酸化膜は、例えば平行平板型プラズマCVD装置を用い、その原料ガスのうちシリコン源としてメチルシラン(SiCH3)を用いる。この第2絶縁膜463は、後のエッチング工程においてハードマスクとしての機能も果たす。
Subsequently, an insulating
さらに、絶縁膜46上に、第1ハードマスク47、第2ハードマスク48を積層して形成する。この第1ハードマスク47は、例えば窒化シリコン(SiN)膜で形成され、第2ハードマスク48は、例えば酸化シリコン膜で形成される。
Further, a first hard mask 47 and a second
次に、図10(2)に示すように、上記第2ハードマスク48〔前記図10(1)参照〕、第1ハードマスク47〔前記図10(1)参照〕等の積層ハードマスクに配線溝49を開口後、接続孔50を途中開口し、その後上記第2ハードマスク48、第1ハードマスク47を用いて配線溝49と接続孔50とを完全開口する手法を用いる。このようにして、絶縁膜46に配線溝49およびこの配線溝49の底部に接続孔50を形成して、いわゆるデュアルダマシン構造を得る。すなわち、上記炭化酸化シリコン膜463、ポリアリールエーテル膜462に上記配線溝49を形成し、上記炭化酸化シリコン膜461に上記接続孔50を形成する。そして、接続孔50の底部の上記ストッパ膜45を除去する。
Next, as shown in FIG. 10B, wiring is performed on the laminated hard mask such as the second hard mask 48 [see FIG. 10 (1)] and the first hard mask 47 [see FIG. 10 (1)]. After the
次に、図11(3)に示すように、しかるべき脱ガス処理を行った後、配線材料の銅を電解めっき法で成膜するためのシード層としてマンガン含有銅膜(CuMn)61をスパッタリング法にて成膜する。ここでのCuMn膜の成膜は、配線溝49および接続孔50の内面にカバレッジ良く形成される必要があり、好ましくは自己放電イオン化スパッタリング法もしくは遠距離スパッタリング法などの指向性スパッタリング法を用いるのが良い。本実施例では、マンガン(Mn)を5%含む銅(Cu)ターゲットを用いて、指向性スパッタリング法にて、60nmの厚さに成膜した。続けて、電気めっき法もしくはスパッタリング法もしくはCVD法にて配線材料51を銅(Cu)で形成する。
Next, as shown in FIG. 11 (3), after performing an appropriate degassing process, a manganese-containing copper film (CuMn) 61 is sputtered as a seed layer for forming copper as a wiring material by electrolytic plating. The film is formed by the method. The formation of the CuMn film here needs to be formed with good coverage on the inner surfaces of the
次に、図11(4)に示すように、熱処理を行って、マンガン含有銅膜(CuMn)61〔前記図11(3)参照〕中のマンガン(Mn)と絶縁膜46(炭化酸化シリコン膜461、463)、ストッパ膜45中のシリコンとを反応させて、銅(Cu)に対してバリア性の高いシリコン含有マンガン酸化膜(MnSixOy)からなるバリア膜52を自己整合的に形成する。上記熱処理は、例えば、窒素(N2)が100%の雰囲気中にて、300℃のアニール処理温度で行う。上記シリコン含有マンガン酸化膜の生成メカニズムは、例えば、第65回応用物理学会予稿集p711「銅配線における自己拡散バリア層形成のための新規合金元素」に開示されている。また、上記熱処理では、反応しきれないマンガンが上記配線材料51表面に析出され、マンガン層53となる。なお、バリア膜52の配線材料16側に上記マンガン含有銅(CuMn)膜(図示せず)が残る場合もある。
Next, as shown in FIG. 11 (4), a heat treatment is performed to manufacture manganese (Mn) in the manganese-containing copper film (CuMn) 61 [see FIG. 11 (3)] and the insulating film 46 (silicon carbide oxide film). 461, 463) and the silicon in the
次に、図12(5)に示すように、絶縁膜46上の余剰な配線材料51およびマンガン層53およびバリア膜52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50にバリア膜52を介して配線材料51からなる第2配線54が形成されるとともに、接続孔50の内部にバリア膜52を介してプラグ55が形成される。この化学的機械研磨では、pH9以上のアルカリ性スラリーを用いることにより、シリコン含有マンガン酸化膜からなるバリア膜52がエッチングされるので、配線54側壁と絶縁膜46の上記炭化酸化シリコン膜463との間に、ポリアリールエーテル膜463に到達するスリット56が形成される。このスリット56は断続的に形成されるという特徴がある。ここでのポイントは、特別な工程を追加することなく、スリット56を形成することができる点である。また、配線54表面には銅酸化膜57が形成される。
Next, as shown in FIG. 12 (5), the
次に、図12(6)に示すように、配線54表面の銅酸化膜57〔前記図11(5)参照〕を除去することを目的として、前処理を行う。この前処理は、例えばアンモニア(NH3)プラズマを用いる。このプラズマ処理により、第2配線54表面の銅酸化膜57が還元されて除去される。これとともに、上記スリット56を介して、第1絶縁膜462のポリアリールエーテル膜が除去され、空洞(エアーギャップ)58が形成される。このように、空洞58の形成工程は、スリット56を通じたポリアリールエーテル膜の除去であるため、第2配線54の疎密に依存することなく、容易且つ確実に、さらには特別な工程を追加することなく、エアーギャップ構造を形成することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 12 (6), pre-processing is performed for the purpose of removing the copper oxide film 57 [see FIG. 11 (5)] on the surface of the
最後に、図13(7)に示すように、上記前処理に続けて、上記第2配線54を被覆するように、銅の拡散防止となる絶縁膜59を形成する。通常、この絶縁膜59には、例えば炭化シリコン窒化膜(SiCN)を用い、例えば50nmの厚さに形成する。上記工程を行うことによって、エアーギャップ構造を有する銅配線を形成することができる。
Finally, as shown in FIG. 13 (7), following the pretreatment, an insulating
上記製造方法(第3実施例)によれば、第1絶縁膜462の有機絶縁膜としてポリアリールエーテルを用いたが、絶縁膜59の成膜の前処理として用いるプラズマによりエッチング(除去)される物であれば、どのような有機絶縁膜でも適用することができる。また、有機絶縁膜上のキャップ膜となる第2絶縁膜463として炭化酸化シリコン(SiOC)膜を用いたが、有機絶縁膜と加工選択比が十分に取れるものであればどんな無機系絶縁膜でも適用することができる。
According to the above manufacturing method (third embodiment), polyaryl ether is used as the organic insulating film of the first insulating
またシード層としてCuMnを用いたが、スラリーによってスリットを発生させることができる組み合わせであれば何でもよい。例えば、CuMnの代わりにチタン(Ti)を用いて、スラリーに、フッ酸(HF)を含むような、酸性のものを用いれば、同様のスリットおよびエアーギャップ構造を形成することができる。また、バリアメタルは単層である必要は無く、例えばCuMnを成膜した後にタンタル(Ta)膜を形成すれば、スリットの内側(配線側)にバリアメタルを有する配線を形成することができ、より高信頼性な半導体装置を提供することが可能である。 Moreover, although CuMn was used as the seed layer, any combination can be used as long as the slit can be generated by the slurry. For example, if titanium (Ti) is used instead of CuMn and an acidic material containing hydrofluoric acid (HF) is used for the slurry, the same slit and air gap structure can be formed. Moreover, the barrier metal does not need to be a single layer. For example, if a tantalum (Ta) film is formed after forming CuMn, a wiring having a barrier metal can be formed inside the slit (wiring side). It is possible to provide a semiconductor device with higher reliability.
上記製造方法(第3実施例)では、第2絶縁膜463上の余剰な材料を除去する工程で第2配線54の側壁にスリット56を形成することから、スリット56を形成するための工程増がない。またスリット56から第1絶縁膜462を除去することから、第2配線54の粗密に依存することなく、空洞58が形成される。このように、第2配線54の疎密に依存しないエアーギャップ構造を形成することができるので、配線間容量を低減した配線構造を形成できる。これによって、信号遅延を低減できるので、高速な高性能半導体装置を提供することが可能になるという利点がある。
In the manufacturing method (third embodiment), the
本発明の半導体装置に係る一実施の形態(半導体装置の第4実施例)を、図14の概略構成断面図によって説明する。 An embodiment (fourth example of a semiconductor device) according to the semiconductor device of the present invention will be described with reference to the schematic cross-sectional view of FIG.
図14に示すように、基体(図示せず)に形成された下地41上に配線層絶縁膜42が形成されている。この配線層絶縁膜42は、例えば、ポリアリールエーテル膜と炭化酸化シリコン(SiOC)膜との積層膜で形成されている。この配線層絶縁膜12に、バリア膜43を介して銅(Cu)からなる第1配線44が形成されている。ここでは第1配線44は、その高さが150nmとなるよう形成され、第1配線44上に銅の拡散および酸化を防止するストッパ膜45が形成されている。このストッパ膜45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ている。
As shown in FIG. 14, a wiring
上記ストッパ膜45上には、このストッパ膜45上に形成した第1絶縁膜(図示せず)を除去して空洞58が形成されている。この第1絶縁膜は、例えば有機系絶縁膜で形成される。この有機系絶縁膜は、例えばポリアリールエーテル膜で、例えば200nmの厚さに形成されている。上記空洞58上には、上記第1絶縁膜上に成膜した第2絶縁膜72が形成されている。この第2絶縁膜72は、例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で、例えば140nmの厚さに形成されている。この第2絶縁膜72には配線溝49が形成され、この配線溝49には、下地11に達するようにバリア膜52を介して第2配線54とその下部に第1配線44と接続するプラグ55とが形成されている。このバリア膜52は、例えばシリコン含有マンガン酸化(MnSixOy)膜で形成されている。なおバリア膜52は、シリコン含有マンガン酸化膜に限定されることはなく、配線を形成する材料の拡散を防止するとともに酸素の配線材料への侵入を防止するものであればよい。また第2配線54の側壁には上記空洞58につながるスリット56が断続的に形成されている。このスリット56は断続的に形成されているため、第2絶縁膜463はバリア膜52を介して第2配線54に支持されているので、落ちることはない。
A
本実施例では、上記スリット56は、バリア膜52の一部を除去することで形成されているが、第1実施例のように、バリア膜52と第2絶縁膜72との間に設けることも可能である。
In this embodiment, the
上記第2配線54上には、銅の拡散防止となる絶縁膜59が形成されている。通常、この絶縁膜59には、例えば炭化シリコン窒化膜(SiCN)を用い、例えば50nmの厚さに形成する。
On the
本発明の半導体装置4では、第2配線54の側壁に空洞58につながるスリット56が形成されていることから、第1絶縁膜をスリット56より除去することで、第2配線54の粗密に依存することなく、空洞58の形成が可能となる。このように、配線の疎密に依存しないエアーギャップ構造を有するので、配線間容量を低減することができる。これによって、信号遅延を大幅に低減できるので、高速な高性能半導体装置を提供することが可能になるという利点がある。
In 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(製造方法の第4実施例)を、図15〜図18の製造工程断面図によって説明する。 Next, an embodiment (fourth example of a manufacturing method) according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to manufacturing process cross-sectional views of FIGS.
図15(1)に示すように、基体(図示せず)に形成された下地41上に配線層絶縁膜42が形成されている。この配線層絶縁膜42は、例えば、ポリアリールエーテル膜と炭化酸化シリコン(SiOC)膜との積層膜で形成される。この配線層絶縁膜12に、バリア膜43を介して銅(Cu)からなる第1配線44を形成する。ここでは第1配線44は、その高さが150nmとなるよう形成され、第1配線44上に銅の拡散および酸化を防止するストッパ膜45を形成する。このストッパ膜45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。このSiCN膜の成膜には、例えば平行平板型のプラズマCVD装置を用いて、メチルシラン(SiCH3)をシリコン源として、圧力を550Pa、プラズマパワーを200Wとして成膜する。
As shown in FIG. 15A, a wiring
続けて上記ストッパ膜45上に配線溝および接続孔を形成するための絶縁膜46を形成する。この絶縁膜46は、第1絶縁膜71を例えばポリアリールエーテル膜で形成し、第2絶縁膜72を例えば炭化酸化シリコン(SiOC)膜で形成する。上記第1絶縁膜71のポリアリールエーテル膜は、例えば200nmの厚さに形成され、その形成方法は、一例として、ポリアリールエーテルの前駆体をスピンコート法により塗布した後、例えば350℃、30分のキュア処理を行うことにより形成する。上記第2絶縁膜72の炭化酸化シリコン(SiOC)膜は、例えば140nmの厚さに成膜される。この炭化シリコン酸化膜は、例えば平行平板型プラズマCVD装置を用い、その原料ガスのうちシリコン源としてメチルシラン(SiCH3)を用いる。この第2絶縁膜72は、後のエッチング工程においてハードマスクとしての機能も果たす。
Subsequently, an insulating
さらに、絶縁膜46上に、ハードマスク73形成する。このハードマスク73は、例えば窒化シリコン(SiN)膜で形成される。
Further, a
次に、図15(2)に示すように、接続孔パターンのレジストマスク(図示せず)およびハードマスク73〔前記図13(1)参照〕を用いて、ドライエッチング法により、第1絶縁膜72のSiOC膜および第1絶縁膜71のポリアリールエーテル膜に配線溝49および配線溝49の底部に接続孔50を形成する。ここでの第2絶縁膜72のSiOC膜の加工は、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、エッチングガスとしてオクタフルオロブタン(C4F8)とアルゴン(Ar)との混合ガスを用い、バイアスパワーを400Wに設定する。またガス流量比を例えば、C4F8:Ar=1:4とし、基板温度を例えば20℃に設定する。
Next, as shown in FIG. 15B, the first insulating film is formed by dry etching using a resist mask (not shown) of a connection hole pattern and a hard mask 73 (see FIG. 13A). A
また、ここでの第1絶縁膜71のポリアリールエーテル膜の加工は、例えば一般的な高密度プラズマエッチング装置を用い、例えばエッチングガスとしてアンモニア(NH3)を用いて行う。例えば、RFパワーを150W、基板温度を10℃に設定する。また、加工した配線溝49の深さが150nmになるよう加工時間を設定した。このエッチング条件における第2絶縁膜71のSiOC膜および下層の配線層間絶縁膜12のSiOC膜に対するエッチング選択比は100以上得られるため、接続孔50と第1配線44とで合わせずれを発生させた場合でもいわゆる下層突き抜けを発生させることなく、制御性良く行うことができる。
Further, the processing of the polyaryl ether film of the first insulating
次に、図16(3)に示すように、しかるべき脱ガス処理を行った後、配線材料の銅を電解めっき法で成膜するためのシード層としてマンガン含有銅膜(CuMn)61をスパッタリング法にて成膜する。ここでのCuMn膜の成膜は、配線溝49および接続孔50の内面にカバレッジ良く形成される必要があり、好ましくは自己放電イオン化スパッタリング法もしくは遠距離スパッタリング法などの指向性スパッタリング法を用いるのが良い。本実施例では、マンガン(Mn)を5%含む銅(Cu)ターゲットを用いて、指向性スパッタリング法にて、60nmの厚さに成膜した。続けて、電気めっき法もしくはスパッタリング法もしくはCVD法にて配線材料51を銅(Cu)で形成する。
Next, as shown in FIG. 16 (3), after performing an appropriate degassing process, a manganese-containing copper film (CuMn) 61 is sputtered as a seed layer for forming a copper wiring material by electrolytic plating. The film is formed by the method. The formation of the CuMn film here needs to be formed with good coverage on the inner surfaces of the
次に、図16(4)に示すように、熱処理を行って、マンガン含有銅膜(CuMn)61〔前記図16(3)参照〕中のマンガン(Mn)と第2絶縁膜72、ストッパ膜45中のシリコンとを反応させて、銅(Cu)に対してバリア性の高いシリコン含有マンガン酸化膜(MnSixOy)からなるバリア膜52を自己整合的に形成する。上記熱処理は、例えば、窒素(N2)が100%の雰囲気中にて、300℃のアニール処理温度で行う。上記シリコン含有マンガン酸化膜の生成メカニズムは、例えば、第65回応用物理学会予稿集p711「銅配線における自己拡散バリア層形成のための新規合金元素」に開示されている。また、上記熱処理では、反応しきれないマンガンが上記配線材料51表面に析出され、マンガン層53となる。なお、バリア膜52の配線材料16側に上記マンガン含有銅(CuMn)膜(図示せず)が残る場合もある。
Next, as shown in FIG. 16 (4), heat treatment is performed, manganese (Mn) in the manganese-containing copper film (CuMn) 61 [see FIG. 16 (3)], the second insulating
次に、図17(5)に示すように、絶縁膜46上の余剰な配線材料51およびマンガン層53〔前記図16(4)参照〕およびバリア膜52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49にバリア膜52を介して配線材料51からなる第2配線54が形成されるとともに、接続孔50の内部にバリア膜52を介してプラグ55が形成される。この化学的機械研磨では、pH9以上のアルカリ性スラリーを用いることにより、シリコン含有マンガン酸化膜からなるバリア膜52がエッチングされるので、配線54側壁と上記第2絶縁膜72との間に、第1絶縁膜71に到達するスリット56を形成する。このスリット56は断続的に形成されるという特徴がある。ここでのポイントは、特別な工程を追加することなく、スリット56を形成することができる点である。また、配線54表面には銅酸化膜57が形成される。
Next, as shown in FIG. 17 (5), the
次に、図17(6)に示すように、配線54表面の銅酸化膜57〔前記図17(5)参照〕を除去することを目的として、前処理を行う。この前処理は、例えばアンモニア(NH3)プラズマを用いる。このプラズマ処理により、配線54表面の銅酸化膜57が還元されて除去される。これとともに、上記スリット56を介して、第1絶縁膜71〔前記図17(5)参照〕のポリアリールエーテル膜が除去され、空洞(エアーギャップ)58が形成される。このように、空洞58の形成工程は、スリット56を通じた第1絶縁膜71のポリアリールエーテル膜の除去であるため、配線54の疎密に依存することなく、容易且つ確実に、さらには特別な工程を追加することなく、エアーギャップ構造を形成することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 17 (6), pre-processing is performed for the purpose of removing the copper oxide film 57 [see FIG. 17 (5)] on the surface of the
最後に、図18(7)に示すように、上記前処理に続けて、上記配線54を被覆するように、銅の拡散防止となる絶縁膜59を形成する。通常、この絶縁膜59には、例えば炭化シリコン窒化膜(SiCN)を用い、例えば50nmの厚さに形成する。上記工程を行うことによって、エアーギャップ構造を有する銅配線を形成することができる。
Finally, as shown in FIG. 18 (7), following the pretreatment, an insulating
上記製造方法(第4実施例)によれば、第1絶縁膜71の有機絶縁膜としてポリアリールエーテルを用いたが、絶縁膜59の成膜の前処理として用いるプラズマによりエッチング(除去)される物であれば、どのような有機絶縁膜でも適用することができる。また、有機絶縁膜上のキャップ膜となる第2絶縁膜72として炭化酸化シリコン(SiOC)膜を用いたが、有機絶縁膜と加工選択比が十分に取れるものであればどんな無機系絶縁膜でも適用することができる。
According to the manufacturing method (fourth embodiment), polyaryl ether is used as the organic insulating film of the first insulating
またシード層としてCuMnを用いたが、スラリーによってスリットを発生させることができる組み合わせであれば何でもよい。例えば、CuMnの代わりにチタン(Ti)を用いて、スラリーに、例えばフッ酸(HF)を含むような、酸性のものを用いれば、同様のスリットおよびエアーギャップ構造を形成することができる。また、バリアメタルは単層である必要は無く、例えばCuMnを成膜した後にタンタル(Ta)膜を形成すれば、スリットの内側(配線側)にバリアメタルを有する配線を形成することができ、より高信頼性な半導体装置を提供することが可能である。 Moreover, although CuMn was used as the seed layer, any combination can be used as long as the slit can be generated by the slurry. For example, if titanium (Ti) is used instead of CuMn and an acidic material such as hydrofluoric acid (HF) is used for the slurry, the same slit and air gap structure can be formed. Moreover, the barrier metal does not need to be a single layer. For example, if a tantalum (Ta) film is formed after forming CuMn, a wiring having a barrier metal can be formed inside the slit (wiring side). It is possible to provide a semiconductor device with higher reliability.
上記製造方法(第4実施例)では、第2絶縁膜72上の余剰な材料を除去する工程で第2配線54の側壁にスリット56を形成することから、スリット56を形成するための工程増がない。またスリット56から第1絶縁膜462を除去することから、第2配線54の粗密に依存することなく、空洞58が形成される。このように、第2配線54の疎密に依存しないエアーギャップ構造を形成することができるので、配線間容量を低減した配線構造を形成できる。さらに、プラグ55が形成される層も空洞58が形成されていることによって、第3実施例よりもさらに配線間容量、配線層間の容量を低減することが可能になる。これによって、信号遅延を大幅に低減できるので、高速な高性能半導体装置を提供することが可能になるという利点がある。
In the above manufacturing method (fourth embodiment), the
上記各実施例においては、バリア膜に、タンタル膜を用いても、シリコン含有マンガン酸化膜を用いてもよく、また、配線材料の拡散を防止するとともに、配線材料の酸化を防止するような、その他のバリア膜を用いることもできる。 In each of the above embodiments, the barrier film may be a tantalum film or a silicon-containing manganese oxide film, and while preventing diffusion of the wiring material and preventing oxidation of the wiring material, Other barrier films can also be used.
上記説明したように、上記製造方法では、従来の銅配線プロセスと比較して、複雑、長時間の工程を追加することなく、確実、容易かつ制御性よく配線の疎密に依存しないエアーギャップ構造を有する配線を形成することが可能となり、良好な高性能半導体装置を提供することが可能になる。 As described above, in the above manufacturing method, an air gap structure that does not depend on the density of the wiring reliably, easily and with good controllability without adding complicated and long-time processes as compared with the conventional copper wiring process. Therefore, it is possible to provide a good high-performance semiconductor device.
1…半導体装置、13…第2絶縁膜、14…配線溝、15…バリア膜、17…配線、18…スリット、20…空洞
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記第1絶縁膜上に形成されたもので前記空洞上の第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜に形成された配線溝より前記基板に達するようにバリア膜を介して形成された配線とを備えた半導体装置であって、
前記配線側壁に前記空洞につながるスリットを備えた
ことを特徴とする半導体装置。 A cavity formed by removing the first insulating film formed on the substrate;
A second insulating film formed on the first insulating film and on the cavity;
A semiconductor device comprising: a wiring formed through a barrier film so as to reach the substrate from a wiring groove formed in the second insulating film;
A semiconductor device comprising a slit connected to the cavity on the wiring side wall.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the slit is intermittently formed on a side wall of the wiring.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a plug that connects the wiring and a lower-layer wiring in a lower portion of the wiring in the cavity.
前記第2絶縁膜と前記第1絶縁膜とに溝を形成した後、該溝内にバリア膜を介して配線材料を埋め込む工程と、
前記第2絶縁膜上の余剰な材料を除去して、前記溝内にバリア膜を介して前記配線材料からなる配線を形成する工程とを備えた半導体装置の製造方法であって
前記第2絶縁膜上の余剰な材料を除去する工程で前記配線側壁に前記第1絶縁膜に達するスリットを形成し、
前記スリットから前記第1絶縁膜を除去して該除去領域に空洞を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first insulating film on the substrate and a second insulating film made of a different material from the first insulating film on the first insulating film;
Forming a groove in the second insulating film and the first insulating film and then embedding a wiring material in the groove through a barrier film;
Removing a surplus material on the second insulating film, and forming a wiring made of the wiring material in the trench through a barrier film, wherein the second insulation Forming a slit reaching the first insulating film on the wiring sidewall in a step of removing excess material on the film;
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first insulating film is removed from the slit to form a cavity in the removal region.
ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the slit is intermittently formed on a side wall of the wiring.
ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the barrier film is made of a tantalum film.
ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。 5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein when a tantalum film is used as the barrier film, the step of removing excess material on the second insulating film is performed by polishing using an acidic chemical solution. Method.
前記バリア膜はマンガンと前記第2絶縁膜と反応させたマンガン化合物膜からなる
ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。 The second insulating film is made of a silicon compound,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the barrier film is made of a manganese compound film obtained by reacting manganese with the second insulating film.
ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein when a manganese compound film is used as the barrier film, the step of removing excess material on the second insulating film is performed by polishing using an alkaline chemical solution. Production method.
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