JP2008047578A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the adhesion properties between copper wiring and an insulation film by contriving the structure of a barrier film. <P>SOLUTION: The semiconductor device comprises: a second insulation film 21 for covering first wiring 17 formed on a first insulation film 12 on a substrate 11; a wiring groove 25 formed on the second insulation film 21; a connection hole 26 that is formed on the second insulation film 21 at the bottom of the wiring groove 25, and is connected to the first wiring 17; a first barrier film 31 formed in the inner surfaces of the wiring groove 25 and the connection hole 26 excluding the bottom of the connection hole 26; a second barrier film 34 formed on the first insulation film 12 at the bottom of the connection hole 26; and second wiring 35 (including a plug 36) buried into the wiring groove 25 and the connection hole 26 via the first barrier film 31 and the second barrier film 34. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、溝配線を有する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 and a method for manufacturing the same.

半導体デバイスの銅配線プロセスにおいて、溝配線となる凹部内に、拡散バリアとなるタンタル(Ta)膜や窒化タンタル(TaN)膜などを成膜することなく、マンガン(Mn)を含有させた合金ターゲット、例えば銅マンガン(CuMn)ターゲットを用いたスパッタ法により、電解めっきのシード層を成膜した後、凹部に銅(Cu)を埋め込む。そして、300℃で30分のアニール処理を行うことで、凹部が形成されている層間絶縁膜(例えばTEOS原料により成膜された酸化シリコン膜)と銅との界面にマンガンシリケート(MnSixy)膜の銅の拡散バリアを形成する。その後、余剰分のマンガンは、銅めっき膜表面に酸化マンガン(MnO)として析出させ、マンガンを添加したことにより上昇した銅の抵抗値を低減させる。このようなMnSixy膜をバリアに用いる技術が報告されている(例えば、非特許文献1参照。)。 Alloy target containing manganese (Mn) without forming a tantalum (Ta) film or a tantalum nitride (TaN) film as a diffusion barrier in a recess serving as a groove wiring in a copper wiring process of a semiconductor device For example, after a seed layer for electrolytic plating is formed by sputtering using a copper manganese (CuMn) target, copper (Cu) is embedded in the recesses. Then, by performing an annealing process at 300 ° C. for 30 minutes, manganese silicate (MnSi x O y ) is formed at the interface between the interlayer insulating film in which the recess is formed (for example, a silicon oxide film formed from a TEOS raw material) and copper. ) Form a copper diffusion barrier in the film. Thereafter, surplus manganese is precipitated as manganese oxide (MnO) on the surface of the copper plating film, and the resistance value of copper that has increased due to the addition of manganese is reduced. A technique using such a MnSi x O y film as a barrier has been reported (for example, see Non-Patent Document 1).

ところが、上記絶縁膜に複数層からなる低誘電率(Low-k)膜を使用した配線構造、例えば、上層より、プラズマ酸化シリコン(P−SiO2)膜、ポリアリールエーテル膜、SiCOH膜、SiCN膜のような構成の絶縁膜に形成された配線構造では、配線溝や接続孔の表面に現れる絶縁膜の種類が異なるため、各膜表面でのMnSixyの形成され易さが異なり、銅と絶縁膜との間の密着性が充分でない領域が存在する。これにより、余剰な銅を化学的機械研磨(CMP)する時の機械的ストレスによる剥がれ、および熱ストレスが加わった際、密着性が不十分なため、銅界面の移動する。これによって断線不良が発生する。 However, a wiring structure using a low dielectric constant (Low-k) film composed of a plurality of layers as the insulating film, for example, a plasma silicon oxide (P-SiO 2 ) film, a polyaryl ether film, a SiCOH film, a SiCN from the upper layer. In the wiring structure formed in the insulating film configured like a film, the type of the insulating film appearing on the surface of the wiring groove or connection hole is different, so the easiness of forming MnSi x O y on each film surface is different, There is a region where the adhesion between copper and the insulating film is not sufficient. As a result, when the excess copper is peeled off due to mechanical stress when chemical mechanical polishing (CMP) is applied, and when thermal stress is applied, the copper interface moves because of insufficient adhesion. As a result, disconnection failure occurs.

また、配線溝および接続孔の内面全てを被覆するように、タンタル(Ta)のような金属からなるバリア膜を形成した場合には、密着性は確保されるが、接続孔とこの接続孔が接続される下層配線との間での電気的抵抗が大きくなる。   In addition, when a barrier film made of a metal such as tantalum (Ta) is formed so as to cover all the inner surfaces of the wiring grooves and connection holes, adhesion is ensured, but the connection holes and the connection holes The electrical resistance with the lower layer wiring to be connected increases.

T.Usui, H.Nasu, J.Koike, M.Wada, S.Takahashi, N.Shimizu, T.Nishikawa, M.Yoshimura and H.Shibata著 「Low Resistive and Highly Reliable Cu Dual-Damascene Interconnect Technology Using Self-Formed MnSixOy Barrier Layer」IEEE International Interconnect Technology Conference 2005 p.188-190 2005年`` Low Resistive and Highly Reliable Cu Dual-Damascene Interconnect Technology Using Self '' by T. Usui, H. Nasu, J. Koike, M. Wada, S. Takahashi, N. Shimizu, T. Nishikawa, M. Yoshimura and H. Shibata -Formed MnSixOy Barrier Layer ”IEEE International Interconnect Technology Conference 2005 p.188-190 2005

解決しようとする問題点は、複数層からなる絶縁膜に配線溝および接続孔を形成した場合、配線溝および接続孔の内部において絶縁膜の膜構造が異なることに起因する配線材料と絶縁膜との密着性不良が発生する点であり、また、配線溝および接続孔の内面全てを被覆するように、タンタル(Ta)のような金属からなるバリア膜を形成した場合には、密着性は確保されるが、接続孔とこの接続孔底部の下層配線との間にバリア膜が形成されるので電気的抵抗が大きくなる点である。   The problem to be solved is that when a wiring groove and a connection hole are formed in an insulating film composed of a plurality of layers, the wiring material and the insulating film are caused by different film structures of the insulating film inside the wiring groove and the connection hole. In addition, when a barrier film made of a metal such as tantalum (Ta) is formed so as to cover all the inner surfaces of the wiring grooves and connection holes, the adhesion is ensured. However, since a barrier film is formed between the connection hole and the lower layer wiring at the bottom of the connection hole, the electrical resistance is increased.

本発明は、バリア膜を介して銅と絶縁膜との密着性を向上させることを課題とする。   An object of the present invention is to improve the adhesion between copper and an insulating film through a barrier film.

本発明の半導体装置は、基板上の第1絶縁膜に形成された第1配線を被覆する第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜に形成された配線溝と、前記配線溝の底部の前記第2絶縁膜に形成されたもので前記第1配線に通じる接続孔と、前記接続孔底部を除く前記配線溝と接続孔との内面に形成された第1バリア膜と、前記接続孔底部の前記第1絶縁膜上に形成された第2バリア膜と、前記第1バリア膜および第2バリア膜を介して前記配線溝および前記接続孔に埋め込まれた第2配線とを備えたことを特徴とする。   The semiconductor device of the present invention includes a second insulating film that covers the first wiring formed on the first insulating film on the substrate, a wiring groove formed on the second insulating film, and the bottom of the wiring groove. A connection hole that is formed in the second insulating film and communicates with the first wiring; a first barrier film formed on an inner surface of the wiring groove and the connection hole excluding the bottom of the connection hole; and a bottom of the connection hole. A second barrier film formed on the first insulating film; and a second wiring embedded in the wiring groove and the connection hole through the first barrier film and the second barrier film. And

本発明の半導体装置では、接続孔底部を除く配線溝および接続孔の内面に第1バリア膜が形成されていることから、第1バリア膜を第2絶縁膜と第2配線との密着性に優れた膜で形成することができる。例えば、第2配線の材料として銅を用いた場合、第1バリア膜に銅および絶縁膜との密着性に優れたタンタル(Ta)膜やチタン(Ti)膜を用いることができる。このため、第2絶縁膜が異なる種類の複数層の絶縁膜で形成されていても、第1バリア膜を介して、第2絶縁膜と第2配線との密着性が確保される。また、接続孔底部の第1絶縁膜上のみに第2バリア膜が形成されていることから、第1配線と第2配線とはバリア膜を介せず直接接続されるため、第1配線と第2配線との密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗が低減される。   In the semiconductor device of the present invention, since the first barrier film is formed on the inner surface of the wiring groove and the connecting hole except for the bottom of the connecting hole, the first barrier film is made to adhere to the second insulating film and the second wiring. An excellent film can be formed. For example, when copper is used as the material of the second wiring, a tantalum (Ta) film or a titanium (Ti) film having excellent adhesion with copper and an insulating film can be used for the first barrier film. For this reason, even if the second insulating film is formed of a plurality of different types of insulating films, adhesion between the second insulating film and the second wiring is ensured through the first barrier film. In addition, since the second barrier film is formed only on the first insulating film at the bottom of the connection hole, the first wiring and the second wiring are directly connected without passing through the barrier film. Adhesion with the second wiring is ensured and contact resistance is reduced.

本発明の半導体装置の製造方法は、基板上の第1絶縁膜に形成された第1配線を被覆する第2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第1絶縁膜上に第2バリア膜を形成する工程と、前記配線溝および前記接続孔に前記第1バリア膜および第2バリア膜を介して第2配線を形成する工程とを備えたことを特徴とする。   The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a wiring groove in the second insulating film covering the first wiring formed in the first insulating film on the substrate and a connection hole at the bottom of the wiring groove; Forming a first barrier film on the inner surfaces of the wiring groove and the connection hole excluding the bottom of the connection hole, forming a second barrier film on the first insulating film at the bottom of the connection hole, and the wiring Forming a second wiring in the groove and the connection hole via the first barrier film and the second barrier film.

本発明の半導体装置の製造方法では、接続孔底部に形成されないように第1バリア膜を形成することから、第1バリア膜に第2絶縁膜と第2配線との密着性に優れた膜を形成することができる。例えば、第2配線の材料として銅を用いた場合、第1バリア膜に銅との密着性に優れたタンタル(Ta)膜やチタン(Ti)膜を用いることができるようになる。このため、第2絶縁膜を異なる種類の複数層の絶縁膜で形成しても、第1バリア膜を介して、第2絶縁膜と第2配線との密着性が確保される。また、接続孔底部の第1絶縁膜上のみに第2バリア膜を形成することから、第1配線と第2配線とはバリア膜を介せず直接接続されるため、第1配線と第2配線との密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗が低減される。   In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first barrier film is formed so as not to be formed at the bottom of the connection hole. Therefore, a film having excellent adhesion between the second insulating film and the second wiring is formed on the first barrier film. Can be formed. For example, when copper is used as the material for the second wiring, a tantalum (Ta) film or a titanium (Ti) film having excellent adhesion to copper can be used for the first barrier film. For this reason, even if the second insulating film is formed of different types of insulating films, adhesion between the second insulating film and the second wiring is ensured through the first barrier film. In addition, since the second barrier film is formed only on the first insulating film at the bottom of the connection hole, the first wiring and the second wiring are directly connected without passing through the barrier film. Adhesion with the wiring is ensured and contact resistance is reduced.

本発明の半導体装置によれば、接続孔の底部を除く部分に密着性の高い第1バリア膜を用いることができるため、第2配線と第2絶縁膜との密着性が確保できるので、信頼性の高い配線構造を有する半導体装置を提供できるという利点がある。また、接続孔底部における第1配線と第2配線との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、信頼性の高い配線構造を有する半導体装置を提供できるという利点がある。   According to the semiconductor device of the present invention, since the first barrier film having high adhesion can be used in the portion other than the bottom of the connection hole, the adhesion between the second wiring and the second insulating film can be ensured. There is an advantage that a semiconductor device having a highly reliable wiring structure can be provided. In addition, since the connection between the first wiring and the second wiring at the bottom of the connection hole is a direct connection between the wirings without passing through the barrier film, adhesion can be ensured and contact resistance can be reduced. There is an advantage that a semiconductor device having a highly reliable wiring structure can be provided.

本発明の半導体装置の製造方法によれば、接続孔の底部を除く部分に密着性の高い第1バリア膜を形成することができるため、第2配線と第2絶縁膜との密着性が確保できるので、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、接続孔底部における第1配線と第2配線との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first barrier film having high adhesion can be formed on the portion other than the bottom of the connection hole, and therefore the adhesion between the second wiring and the second insulating film is ensured. Therefore, there is an advantage that the wiring reliability can be improved. In addition, since the connection between the first wiring and the second wiring at the bottom of the connection hole is a direct connection between the wirings without passing through the barrier film, adhesion can be ensured and contact resistance can be reduced. There is an advantage that reliability can be improved.

本発明の半導体装置に係る一実施の形態(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) according to a semiconductor device of the present invention will be described with reference to a schematic sectional view of FIG.

図1に示すように、基板11(図1(2)以降は図示を省略する)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、下層より、低誘電率膜の有機絶縁膜13と無機絶縁膜14との積層膜で形成されている。この発明における低誘電率膜とは、酸化シリコン膜の誘電率よりも低い膜をいい、より好ましくは誘電率が3.0以下の膜をいう。上記有機絶縁膜13は、例えば低誘電率なポリアリールエーテル膜で形成されている。また上記無機絶縁膜14は、例えば酸化炭化シリコン(SiOC)膜で形成されている。   As shown in FIG. 1, a first insulating film 12 is formed on a substrate 11 (illustration is omitted from FIG. 1 (2)). The first insulating film 12 is formed of, for example, a laminated film of a low dielectric constant organic insulating film 13 and an inorganic insulating film 14 from the lower layer. The low dielectric constant film in the present invention refers to a film having a dielectric constant lower than that of the silicon oxide film, and more preferably a film having a dielectric constant of 3.0 or less. The organic insulating film 13 is formed of, for example, a low dielectric constant polyaryl ether film. The inorganic insulating film 14 is formed of, for example, a silicon oxide carbide (SiOC) film.

上記第1絶縁膜12には配線溝15が形成され、この配線溝15にはバリア膜16を介して第1配線17が形成されている。   A wiring groove 15 is formed in the first insulating film 12, and a first wiring 17 is formed in the wiring groove 15 via a barrier film 16.

上記第1絶縁膜12上には、第1配線17を被覆するストッパ膜20を含む第2絶縁膜21が形成されている。このストッパ膜20には、上層の第2絶縁膜21をエッチングした際に、エッチングが停止される膜であればよく、例えば窒化酸化シリコン(SiCN)膜を用いる。上記ストッパ膜20上の第2絶縁膜21は、例えば下層より、無機絶縁膜22、有機絶縁膜23、無機絶縁膜24が順に積層されているものである。上記無機絶縁膜22は、例えばメチルシルセスキオキサン(MSQ:Metyl Silsesquioxane)膜もしくはハイドロシルセスキオキサン(HSQ:Hydrogen Silsesquioxane)膜が用いられる。また上記有機絶縁膜23には、例えばポリアリールエーテル膜、ポリイミド膜等が用いられる。さらに上記無機絶縁膜24には下層に有機絶縁膜とのエッチング選択性を有する膜が用いられ、例えば炭化酸化シリコン膜が用いられる。   A second insulating film 21 including a stopper film 20 covering the first wiring 17 is formed on the first insulating film 12. The stopper film 20 may be any film that stops etching when the second insulating film 21 on the upper layer is etched. For example, a silicon nitride oxide (SiCN) film is used. The second insulating film 21 on the stopper film 20 is formed by laminating an inorganic insulating film 22, an organic insulating film 23, and an inorganic insulating film 24 in this order from the lower layer, for example. As the inorganic insulating film 22, for example, a methyl silsesquioxane (MSQ) film or a hydrosilsesquioxane (HSQ) film is used. For the organic insulating film 23, for example, a polyaryl ether film or a polyimide film is used. Further, a film having an etching selectivity with respect to the organic insulating film is used for the inorganic insulating film 24, for example, a silicon carbide oxide film.

上記無機絶縁膜24および有機絶縁膜23には配線溝25が形成され、この配線溝25の底部の上記無機絶縁膜22には接続孔26が形成され、この接続孔26は上記ストッパ膜20を貫通して下層に第1配線17に通じている。   A wiring groove 25 is formed in the inorganic insulating film 24 and the organic insulating film 23, and a connection hole 26 is formed in the inorganic insulating film 22 at the bottom of the wiring groove 25, and the connection hole 26 connects the stopper film 20. It penetrates and communicates with the first wiring 17 in the lower layer.

上記配線溝25および接続孔26の底部を除く接続孔26の内面には、第1バリア膜31が形成されている。この第1バリア膜31は、第2絶縁膜21と特に配線材料の銅との密着性を確保するとともに、銅の拡散、酸素の侵入等を防止する機能を有する膜であればよく、例えば、タンタル(Ta)膜、チタン(Ti)膜で、例えば3nm〜10nmの厚さに形成する。   A first barrier film 31 is formed on the inner surface of the connection hole 26 excluding the wiring groove 25 and the bottom of the connection hole 26. The first barrier film 31 may be any film that has a function of ensuring adhesion between the second insulating film 21 and particularly copper as a wiring material and preventing copper diffusion, oxygen intrusion, and the like. A tantalum (Ta) film or a titanium (Ti) film is formed to a thickness of 3 nm to 10 nm, for example.

上記接続孔26の底部における第1絶縁膜12(無機絶縁膜14)上には、第2バリア膜34が形成されている。この第2バリア膜34は、例えば、シリコン含有マンガン酸化物(MnSixy:x、yは任意)またはマンガン酸化物(Mnxy:x、yは任意)からなる。これによって、接続孔26底部において、配線材料33と第1、第2絶縁膜12、21とが直接接触する領域がなくなる。また、第1配線17は接続孔26底部で配線材料33と接続されている。 A second barrier film 34 is formed on the first insulating film 12 (inorganic insulating film 14) at the bottom of the connection hole 26. The second barrier film 34 is made of, for example, silicon-containing manganese oxide (MnSi x O y : x, y is arbitrary) or manganese oxide (Mn x O y : x, y is arbitrary). As a result, there is no region where the wiring material 33 and the first and second insulating films 12 and 21 are in direct contact with each other at the bottom of the connection hole 26. The first wiring 17 is connected to the wiring material 33 at the bottom of the connection hole 26.

上記配線溝25内には、第1バリア膜31を介して配線材料33からなる第2配線35が形成されているとともに、接続孔26の内部には第1バリア膜31および第2バリア膜34を介して配線材料33からなるもので、第1配線17に接続する第2配線35のプラグ36が形成されている。さらに、上記第2配線35を被覆するように、上記第2絶縁膜21上にバリア膜37が形成されている。このバリア膜37は、例えばシリコンと炭素からなる絶縁膜、例えば炭化シリコン(SiC)膜、もしくは例えばシリコンと炭素と窒素からなる絶縁膜、例えば窒化炭化シリコン(SiCN)膜で形成される。   A second wiring 35 made of a wiring material 33 is formed in the wiring groove 25 via the first barrier film 31, and the first barrier film 31 and the second barrier film 34 are formed in the connection hole 26. A plug 36 of the second wiring 35 connected to the first wiring 17 is formed. Further, a barrier film 37 is formed on the second insulating film 21 so as to cover the second wiring 35. The barrier film 37 is formed of, for example, an insulating film made of silicon and carbon, for example, a silicon carbide (SiC) film, or an insulating film made of, for example, silicon, carbon, and nitrogen, for example, a silicon nitride carbide (SiCN) film.

上記半導体装置1によれば、接続孔26の底部を除く部分に密着性の高い第1バリア膜31を用いることができるため、第1バリア膜31を介して第2配線35と第2絶縁膜21との密着性が確保できるので、信頼性の高い配線構造を有する半導体装置1を提供できるという利点がある。また、接続孔26底部における第1配線17と第2配線35との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、信頼性の高い配線構造を有する半導体装置1を提供できるという利点がある。また、第1配線17と第2配線35(プラグ36)とのコンタクト抵抗の低減により、例えば動作速度の向上が図れる。   According to the semiconductor device 1, since the first barrier film 31 with high adhesion can be used in the portion other than the bottom of the connection hole 26, the second wiring 35 and the second insulating film are interposed via the first barrier film 31. Since the adhesiveness with 21 can be ensured, there is an advantage that the semiconductor device 1 having a highly reliable wiring structure can be provided. In addition, since the connection between the first wiring 17 and the second wiring 35 at the bottom of the connection hole 26 is a direct connection between the wirings without passing through the barrier film, adhesion can be ensured and contact resistance can be reduced. Thus, there is an advantage that the semiconductor device 1 having a highly reliable wiring structure can be provided. Further, by reducing the contact resistance between the first wiring 17 and the second wiring 35 (plug 36), for example, the operation speed can be improved.

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2〜図5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 sectional views of FIGS.

図2(1)に示すように、基板11(図1(2)以降は図示を省略する)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、下層より、低誘電率膜の有機絶縁膜13と無機絶縁膜14との積層膜で形成されている。この発明における低誘電率膜とは、酸化シリコン膜の誘電率よりも低い膜をいい、より好ましくは誘電率が3.0以下の膜をいう。上記有機絶縁膜13は、例えば低誘電率なポリアリールエーテル膜で形成されている。また上記無機絶縁膜14は、例えば酸化炭化シリコン膜で形成されている。   As shown in FIG. 2A, a first insulating film 12 is formed on a substrate 11 (illustration is omitted from FIG. 1B). The first insulating film 12 is formed of, for example, a laminated film of a low dielectric constant organic insulating film 13 and an inorganic insulating film 14 from the lower layer. The low dielectric constant film in the present invention refers to a film having a dielectric constant lower than that of the silicon oxide film, and more preferably a film having a dielectric constant of 3.0 or less. The organic insulating film 13 is formed of, for example, a low dielectric constant polyaryl ether film. The inorganic insulating film 14 is formed of, for example, a silicon oxide carbide film.

上記第1絶縁膜12には配線溝15が形成され、この配線溝15にはバリア膜16を介して第1配線17が形成されている。   A wiring groove 15 is formed in the first insulating film 12, and a first wiring 17 is formed in the wiring groove 15 via a barrier film 16.

上記第1絶縁膜12上には、ストッパ膜20を含む第2絶縁膜21が形成されている。このストッパ膜20は、上層の第2絶縁膜21をエッチングした際に、エッチングが停止される膜であればよく、例えば窒化酸化シリコン(SiCN)膜を用いる。上記ストッパ膜20上の第2絶縁膜21は、例えば下層より、無機絶縁膜22、有機絶縁膜23、無機絶縁膜24が順に積層されているものである。上記無機絶縁膜22は、例えばメチルシルセスキオキサン(MSQ:Metyl Silsesquioxane)膜もしくはハイドロシルセスキオキサン(HSQ:Hydrogen Silsesquioxane)膜が用いられる。また上記有機絶縁膜23には、例えばポリアリールエーテル膜、ポリイミド膜等が用いられる。さらに上記無機絶縁膜24には下層に有機絶縁膜とのエッチング選択性を有する膜が用いられ、例えば炭化酸化シリコン膜が用いられる。   A second insulating film 21 including a stopper film 20 is formed on the first insulating film 12. The stopper film 20 may be a film that stops etching when the upper second insulating film 21 is etched. For example, a silicon nitride oxide (SiCN) film is used. The second insulating film 21 on the stopper film 20 is formed by laminating an inorganic insulating film 22, an organic insulating film 23, and an inorganic insulating film 24 in this order from the lower layer, for example. As the inorganic insulating film 22, for example, a methyl silsesquioxane (MSQ) film or a hydrosilsesquioxane (HSQ) film is used. For the organic insulating film 23, for example, a polyaryl ether film or a polyimide film is used. Further, a film having an etching selectivity with respect to the organic insulating film is used for the inorganic insulating film 24, for example, a silicon carbide oxide film.

上記無機絶縁膜24および有機絶縁膜23には配線溝25が形成され、この配線溝25の底部の上記無機絶縁膜22には接続孔26が形成され、この接続孔26は上記ストッパ膜20を貫通して下層に第1配線17に通じている。   A wiring groove 25 is formed in the inorganic insulating film 24 and the organic insulating film 23, and a connection hole 26 is formed in the inorganic insulating film 22 at the bottom of the wiring groove 25, and the connection hole 26 connects the stopper film 20. It penetrates and communicates with the first wiring 17 in the lower layer.

まず、図2(2)に示すように、上記配線溝25および接続孔26の内面に第1バリア膜31を形成する。この第1バリア膜31は、絶縁膜21と後に形成する配線材料の銅との密着性を確保するとともに、銅の拡散、酸素の侵入等を防止する機能を有する膜であればよく、例えば、タンタル(Ta)膜、チタン(Ti)膜で形成する。例えばタンタル(Ta)膜で上記第1バリア膜31を形成する場合、イオン化PVD(Physical Vapor Deposition)法を用い、配線溝25および接続孔26の各内面を段差部も含めて被覆するように、上記第1バリア膜31を形成する。上記第1バリア膜31の成膜条件は、一例として、DCパワーを10kW、基板RFバイアスパワーを200W、プロセスガスにアルゴン(Ar)を用い、成膜雰囲気の圧力を67mPaとし、例えば7nmの膜厚に成膜した。上記成膜条件は、第1バリア膜31が配線溝25および接続孔26の内面を被覆するように成膜される範囲で変更可能である。   First, as shown in FIG. 2B, a first barrier film 31 is formed on the inner surfaces of the wiring groove 25 and the connection hole 26. The first barrier film 31 may be any film that has a function of ensuring adhesion between the insulating film 21 and copper as a wiring material to be formed later, and preventing copper diffusion, oxygen intrusion, and the like. A tantalum (Ta) film and a titanium (Ti) film are formed. For example, when the first barrier film 31 is formed of a tantalum (Ta) film, an ionized PVD (Physical Vapor Deposition) method is used to cover the inner surfaces of the wiring grooves 25 and the connection holes 26 including the stepped portions. The first barrier film 31 is formed. As an example of the film formation conditions of the first barrier film 31, the DC power is 10 kW, the substrate RF bias power is 200 W, the process gas is argon (Ar), and the pressure of the film formation atmosphere is 67 mPa. A thick film was formed. The film formation conditions can be changed within a range in which the first barrier film 31 is formed so as to cover the inner surfaces of the wiring groove 25 and the connection hole 26.

その後、図3(3)に示すように、基板(図示せず)に高いバイアスを印加し、接続孔26底部に形成された第1バリア膜31を除去する。この処理では、基板に高いRFバイアスを印加しながら第1バリア膜31を成膜することで、接続孔26肩部、配線溝25肩部の削れを抑制しつつ、接続孔26底部の第1バリア膜31を除去する。また、配線溝25の底部に形成された第1バリア膜31も削れるが、その部分の第1バリア膜は薄膜化もしくは除去されても構わない。この処理条件は、一例として、DCパワーを3kW、基板RFバイアスパワーを500W、プロセスガスにアルゴン(Ar)を用い、処理雰囲気の圧力を0.13Paとし、処理時間を12秒とした。この処理時間は、第1バリア膜31の膜厚によって、適宜変更される。また、その他の処理条件は、接続孔26底部に形成された第1バリア膜31を選択的に除去する目的が達成できる範囲で変更可能である。   Thereafter, as shown in FIG. 3C, a high bias is applied to the substrate (not shown), and the first barrier film 31 formed on the bottom of the connection hole 26 is removed. In this process, the first barrier film 31 is formed while applying a high RF bias to the substrate, thereby suppressing the shaving of the shoulder of the connection hole 26 and the shoulder of the wiring groove 25 and the first of the bottom of the connection hole 26. The barrier film 31 is removed. In addition, the first barrier film 31 formed on the bottom of the wiring trench 25 is also scraped, but the first barrier film in that portion may be thinned or removed. As an example of the processing conditions, the DC power was 3 kW, the substrate RF bias power was 500 W, the process gas was argon (Ar), the processing atmosphere pressure was 0.13 Pa, and the processing time was 12 seconds. This processing time is appropriately changed depending on the film thickness of the first barrier film 31. Other processing conditions can be changed within a range in which the purpose of selectively removing the first barrier film 31 formed on the bottom of the connection hole 26 can be achieved.

次に、図3(4)に示すように、上記第1バリア膜31表面に銅めっきのためのシード膜32を形成する。ここでは、シード膜32を銅マンガン(CuMn)合金で形成した。このCuMn合金中のマンガン(Mn)濃度は2wt%〜10wt%とした。上記CuMn合金膜の成膜条件の一例としては、PVD法による成膜法を用い、例えば、DCパワーを15kW、基板RFバイアスパワーを400W、プロセスガスにアルゴン(Ar)を用い、そのプロセス雰囲気の圧力を6.7mPaとし、例えば、60nmの厚さに成膜した。   Next, as shown in FIG. 3 (4), a seed film 32 for copper plating is formed on the surface of the first barrier film 31. Here, the seed film 32 is formed of a copper manganese (CuMn) alloy. The manganese (Mn) concentration in the CuMn alloy was 2 wt% to 10 wt%. As an example of the film forming conditions of the CuMn alloy film, a PVD method is used. For example, the DC power is 15 kW, the substrate RF bias power is 400 W, the process gas is argon (Ar), and the process atmosphere is The pressure was set to 6.7 mPa, and the film was formed to a thickness of 60 nm, for example.

次に、図4(5)に示すように、配線溝25および接続孔26の内部を埋め込むようにシード膜32上に、配線材料33を形成する。この配線材料には、例えば銅を用い、その成膜方法にはめっき法を用いる。   Next, as shown in FIG. 4 (5), a wiring material 33 is formed on the seed film 32 so as to fill the inside of the wiring groove 25 and the connection hole 26. For example, copper is used as the wiring material, and a plating method is used as the film forming method.

次に、図4(6)に示すように、熱処理を行う。この熱処理によって、シード膜32中のマンガン(Mn)と上記酸化炭化シリコン膜の無機絶縁膜14中のシリコン(Si)と酸素(O)とが反応してシリコン含有マンガン酸化物(MnSixy:x、yは任意)膜またはマンガン酸化物(Mnxy:x、yは任意)膜からなる第2バリア膜34を形成する。すなわち、第2バリア膜34が自己整合的に形成される。これによって、接続孔26底部において、配線材料33と第1、第2絶縁膜12、21とが直接接触する領域がなくなる。また、第1配線17は接続孔26底部で配線材料33と接続されている。上記熱処理条件は、一例として、熱処理温度を300℃〜400℃で、銅表面に生成される酸化膜を除去することが可能な水素(H2)ガスと希釈用窒素(N2)ガスを流して、1時間行う。この処理時間は一例であり、第2バリア膜34が形成される条件であれば、適宜変更可能である。 Next, heat treatment is performed as shown in FIG. By this heat treatment, manganese (Mn) in the seed film 32 reacts with silicon (Si) and oxygen (O) in the inorganic insulating film 14 of the silicon oxide carbide film to cause silicon-containing manganese oxide (MnSi x O y). : X and y are arbitrary) and the second barrier film 34 is formed of a film or a manganese oxide (Mn x O y : x and y are arbitrary) films. That is, the second barrier film 34 is formed in a self-aligning manner. As a result, there is no region where the wiring material 33 and the first and second insulating films 12 and 21 are in direct contact with each other at the bottom of the connection hole 26. The first wiring 17 is connected to the wiring material 33 at the bottom of the connection hole 26. As an example of the heat treatment conditions, the heat treatment temperature is 300 ° C. to 400 ° C., and hydrogen (H 2 ) gas and diluting nitrogen (N 2 ) gas capable of removing the oxide film formed on the copper surface are flowed. For 1 hour. This processing time is an example, and can be appropriately changed as long as the second barrier film 34 is formed.

次に、図5(7)に示すように、例えば化学的機械研磨(CMP)法によって、第2絶縁膜21上の余剰な配線材料33(シード膜32も含む)、第1バリア膜31等を除去し、絶縁膜21を露出させるとともに、配線溝25内に第1バリア膜31を介して配線材料33(シード膜32も含む)からなる第2配線35を形成するとともに、接続孔26の内部に第1バリア膜31および第2バリア膜34を介して配線材料33(シード膜32も含む)からなるもので、第1配線17に接続する第2配線35のプラグ36を形成する。次いで、上記第2配線35を被覆するように、上記第2絶縁膜21上にバリア膜37を形成する。このバリア膜37は、例えばシリコンと炭素からなる絶縁膜、例えば炭化シリコン(SiC)膜、もしくは例えばシリコンと炭素と窒素からなる絶縁膜、例えば窒化炭化シリコン(SiCN)膜で形成する。この成膜方法は、例えば化学的気相成長(CVD)法を採用することができる。   Next, as shown in FIG. 5 (7), for example, an excess wiring material 33 (including the seed film 32) on the second insulating film 21, the first barrier film 31, and the like by a chemical mechanical polishing (CMP) method. In addition, the insulating film 21 is exposed, the second wiring 35 made of the wiring material 33 (including the seed film 32) is formed in the wiring groove 25 via the first barrier film 31, and the connection hole 26 is formed. The plug 36 of the second wiring 35 connected to the first wiring 17 is formed of the wiring material 33 (including the seed film 32) through the first barrier film 31 and the second barrier film 34 inside. Next, a barrier film 37 is formed on the second insulating film 21 so as to cover the second wiring 35. The barrier film 37 is formed of, for example, an insulating film made of silicon and carbon, for example, a silicon carbide (SiC) film, or an insulating film made of, for example, silicon, carbon, and nitrogen, for example, a silicon nitride carbide (SiCN) film. As this film forming method, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method can be adopted.

上記第1実施例の製造方法によれば、接続孔26の底部を除く部分に密着性の高い第1バリア膜31を形成することができるため、第1バリア膜31とシード膜32との間、すなわちタンタル(Ta)と銅マンガン(CuMn)との間の金属間結合を有した強固な密着性が確保できる。また、第1バリア膜31がタンタル(Ta)膜もしくはチタン(Ti)膜で形成されていることから、第2絶縁膜21との密着性も確保できる。よって、第1バリア膜31を介して第2配線35と第2絶縁膜21との密着性が確保できるので、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、接続孔26底部における第1配線17と第2配線35との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、第1配線17と第2配線35(プラグ36)とのコンタクト抵抗の低減により、例えば動作速度の向上が図れる。   According to the manufacturing method of the first embodiment, the first barrier film 31 having high adhesion can be formed on the portion other than the bottom of the connection hole 26, so that the gap between the first barrier film 31 and the seed film 32 can be formed. That is, it is possible to ensure strong adhesion having an intermetallic bond between tantalum (Ta) and copper manganese (CuMn). Further, since the first barrier film 31 is formed of a tantalum (Ta) film or a titanium (Ti) film, adhesion with the second insulating film 21 can be ensured. Therefore, the adhesion between the second wiring 35 and the second insulating film 21 can be ensured through the first barrier film 31, so that there is an advantage that the wiring reliability can be improved. In addition, since the connection between the first wiring 17 and the second wiring 35 at the bottom of the connection hole 26 is a direct connection between the wirings without passing through the barrier film, adhesion can be ensured and contact resistance can be reduced. Therefore, there is an advantage that the wiring reliability can be improved. Further, by reducing the contact resistance between the first wiring 17 and the second wiring 35 (plug 36), for example, the operation speed can be improved.

また、密着性を向上させることができるので、化学的機械研磨時の機械的ストレスによる配線材料33の剥がれ、熱処理の熱ストレスによる銅の界面移動から発生する断線不良を抑制することが可能となる。この点からの、配線信頼性の向上が図れる。   In addition, since the adhesion can be improved, it is possible to suppress disconnection failure caused by peeling of the wiring material 33 due to mechanical stress during chemical mechanical polishing and movement of the copper interface due to thermal stress during heat treatment. . From this point, the wiring reliability can be improved.

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6〜図8の製造工程断面図によって説明する。   Next, an embodiment (second example) 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.

前記図2(1)〜図3(3)までの工程を行った後、図6(1)に示すように、配線溝25の底面および接続孔26の底面の上記第1バリア膜31表面に銅めっきのためのシード膜32を形成する。ここでは、シード膜32を銅マンガン(CuMn)合金で形成した。このとき、シード膜32は、第2絶縁膜21上の第1バリア膜31上にも形成される。このCuMn合金中のマンガン(Mn)濃度は2wt%〜10wt%とした。上記CuMn合金膜の成膜条件の一例としては、PVD法による成膜法を用い、例えば、DCパワーを15kW、基板RFバイアスパワーを0W、プロセスガスにアルゴン(Ar)を用い、そのプロセス雰囲気の圧力を6.7mPaとし、例えば、20nmの厚さに成膜した。   After the steps from FIG. 2A to FIG. 3C are performed, the surface of the first barrier film 31 on the bottom surface of the wiring groove 25 and the bottom surface of the connection hole 26 is formed as shown in FIG. A seed film 32 for copper plating is formed. Here, the seed film 32 is formed of a copper manganese (CuMn) alloy. At this time, the seed film 32 is also formed on the first barrier film 31 on the second insulating film 21. The manganese (Mn) concentration in the CuMn alloy was 2 wt% to 10 wt%. As an example of the film forming conditions for the CuMn alloy film, a PVD film forming method is used. For example, the DC power is 15 kW, the substrate RF bias power is 0 W, the process gas is argon (Ar), and the process atmosphere is The pressure was set to 6.7 mPa, and the film was formed to a thickness of 20 nm, for example.

次に、図6(2)に示すように、配線溝25の底面および接続孔26の底面の上記シード膜32を介して銅めっきのための銅シード膜41を形成する。ここでは、銅シード膜41を純銅で形成した。上記純銅の成膜条件の一例としては、PVD法による成膜法を用い、例えば、DCパワーを15kW、基板RFバイアスパワーを400W、プロセスガスにアルゴン(Ar)を用い、そのプロセス雰囲気の圧力を6.7mPaとし、例えば、40nmの厚さに成膜した。   Next, as shown in FIG. 6B, a copper seed film 41 for copper plating is formed through the seed film 32 on the bottom surface of the wiring groove 25 and the bottom surface of the connection hole 26. Here, the copper seed film 41 is formed of pure copper. As an example of the pure copper film forming conditions, a PVD film forming method is used. For example, the DC power is 15 kW, the substrate RF bias power is 400 W, the process gas is argon (Ar), and the pressure of the process atmosphere is set. The film was formed to a thickness of 40 nm, for example, 40 nm.

次に、図7(3)に示すように、配線溝25および接続孔26の内部を埋め込むようにシード膜32上に、配線材料33を形成する。この配線材料には、例えば銅を用い、その成膜方法にはめっき法を用いる。   Next, as shown in FIG. 7 (3), a wiring material 33 is formed on the seed film 32 so as to fill the inside of the wiring groove 25 and the connection hole 26. For example, copper is used as the wiring material, and a plating method is used as the film forming method.

次に、図7(4)に示すように、熱処理を行う。この熱処理によって、シード膜32中のマンガン(Mn)と上記酸化炭化シリコン膜の無機絶縁膜14中のシリコン(Si)と酸素(O)とが反応してシリコン含有マンガン酸化物(MnSixy:x、yは任意)膜またはマンガン酸化物(Mnxy:x、yは任意)膜からなる第2バリア膜34を形成する。すなわち、第2バリア膜34が自己整合的に形成される。これによって、接続孔26底部において、配線材料33と第1、第2絶縁膜12、21とが直接接触する領域がなくなる。また、第1配線17は接続孔26底部で配線材料33と接続されている。上記熱処理条件は、一例として、熱処理温度を300℃〜400℃で、銅表面に生成される酸化膜を除去することが可能な水素(H2)ガスと希釈用窒素(N2)ガスを流して、1時間行う。この処理時間は一例であり、第2バリア膜34が形成される条件であれば、適宜変更可能である。 Next, heat treatment is performed as shown in FIG. By this heat treatment, manganese (Mn) in the seed film 32, silicon (Si) in the inorganic insulating film 14 of the silicon oxide carbide film, and oxygen (O) react to react with silicon-containing manganese oxide (MnSi x O y). : X and y are arbitrary) and the second barrier film 34 is formed of a film or a manganese oxide (Mn x O y : x and y are arbitrary) films. That is, the second barrier film 34 is formed in a self-aligning manner. As a result, there is no region where the wiring material 33 and the first and second insulating films 12 and 21 are in direct contact with each other at the bottom of the connection hole 26. The first wiring 17 is connected to the wiring material 33 at the bottom of the connection hole 26. As an example of the heat treatment conditions, the heat treatment temperature is 300 ° C. to 400 ° C., and hydrogen (H 2 ) gas and diluting nitrogen (N 2 ) gas capable of removing the oxide film formed on the copper surface are flowed. For 1 hour. This processing time is an example, and can be appropriately changed as long as the second barrier film 34 is formed.

次に、図8(5)に示すように、例えば化学的機械研磨(CMP)法によって、第2絶縁膜21上の余剰な配線材料33(シード膜32も含む)、第1バリア膜31等を除去し、絶縁膜21を露出させるとともに、配線溝25内に第1バリア膜31を介して配線材料33(シード膜32も含む)からなる第2配線35を形成するとともに、接続孔26の内部に第1バリア膜31および第2バリア膜34を介して配線材料33(シード膜32も含む)からなるもので、第1配線17に接続する第2配線35のプラグ36を形成する。次いで、上記第2配線35を被覆するように、上記第2絶縁膜21上にバリア膜37を形成する。このバリア膜37は、例えばシリコンと炭素からなる絶縁膜、例えば炭化シリコン(SiC)膜、もしくは例えばシリコンと炭素と窒素からなる絶縁膜、例えば窒化炭化シリコン(SiCN)膜で形成する。この成膜方法は、例えば化学的気相成長(CVD)法を採用することができる。   Next, as shown in FIG. 8 (5), for example, an excessive wiring material 33 (including the seed film 32) on the second insulating film 21, the first barrier film 31, and the like by a chemical mechanical polishing (CMP) method. In addition, the insulating film 21 is exposed, the second wiring 35 made of the wiring material 33 (including the seed film 32) is formed in the wiring groove 25 via the first barrier film 31, and the connection hole 26 is formed. The plug 36 of the second wiring 35 connected to the first wiring 17 is formed of the wiring material 33 (including the seed film 32) through the first barrier film 31 and the second barrier film 34 inside. Next, a barrier film 37 is formed on the second insulating film 21 so as to cover the second wiring 35. The barrier film 37 is formed of, for example, an insulating film made of silicon and carbon, for example, a silicon carbide (SiC) film, or an insulating film made of, for example, silicon, carbon, and nitrogen, for example, a silicon nitride carbide (SiCN) film. As this film formation method, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method can be adopted.

上記第2実施例の製造方法によれば、接続孔26の底部を除く部分に密着性の高い第1バリア膜31を形成することができるため、第1バリア膜31とシード膜32との間、すなわちタンタル(Ta)と銅マンガン(CuMn)との間の金属間結合を有した強固な密着性が確保できる。また、第1バリア膜31がタンタル(Ta)膜もしくはチタン(Ti)膜で形成されていることから、第2絶縁膜21との密着性も確保できる。よって、第1バリア膜31を介して第2配線35と第2絶縁膜21との密着性が確保できるので、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、接続孔26底部における第1配線17と第2配線35との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、第1配線17と第2配線35(プラグ36)とのコンタクト抵抗の低減により、例えば動作速度の向上が図れる。   According to the manufacturing method of the second embodiment, the first barrier film 31 having high adhesion can be formed in the portion excluding the bottom of the connection hole 26, so that the gap between the first barrier film 31 and the seed film 32 can be formed. That is, it is possible to ensure strong adhesion having an intermetallic bond between tantalum (Ta) and copper manganese (CuMn). Further, since the first barrier film 31 is formed of a tantalum (Ta) film or a titanium (Ti) film, adhesion with the second insulating film 21 can be ensured. Therefore, the adhesion between the second wiring 35 and the second insulating film 21 can be ensured through the first barrier film 31, so that there is an advantage that the wiring reliability can be improved. In addition, since the connection between the first wiring 17 and the second wiring 35 at the bottom of the connection hole 26 is a direct connection between the wirings without passing through the barrier film, adhesion can be ensured and contact resistance can be reduced. Therefore, there is an advantage that the wiring reliability can be improved. Further, by reducing the contact resistance between the first wiring 17 and the second wiring 35 (plug 36), for example, the operation speed can be improved.

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3実施例)を、図9〜図11の製造工程断面図によって説明する。   Next, an embodiment (third example) according to the 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9(1)に示すように、基板11(図1(2)以降は図示を省略する)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、下層より、低誘電率膜の有機絶縁膜13と無機絶縁膜14との積層膜で形成されている。この発明における低誘電率膜とは、酸化シリコン膜の誘電率よりも低い膜をいい、より好ましくは誘電率が3.0以下の膜をいう。上記有機絶縁膜13は、例えば低誘電率なポリアリールエーテル膜で形成されている。また上記無機絶縁膜14は、例えば酸化炭化シリコン膜で形成されている。   As shown in FIG. 9A, a first insulating film 12 is formed on a substrate 11 (illustration is omitted from FIG. 1B). The first insulating film 12 is formed of, for example, a laminated film of a low dielectric constant organic insulating film 13 and an inorganic insulating film 14 from the lower layer. The low dielectric constant film in the present invention refers to a film having a dielectric constant lower than that of the silicon oxide film, and more preferably a film having a dielectric constant of 3.0 or less. The organic insulating film 13 is formed of, for example, a low dielectric constant polyaryl ether film. The inorganic insulating film 14 is formed of, for example, a silicon oxide carbide film.

上記第1絶縁膜12には配線溝15が形成され、この配線溝15にはバリア膜16を介して第1配線17が形成されている。   A wiring groove 15 is formed in the first insulating film 12, and a first wiring 17 is formed in the wiring groove 15 via a barrier film 16.

上記第1絶縁膜12上には、ストッパ膜20を含む第2絶縁膜21が形成されている。このストッパ膜20は、上層の第2絶縁膜21をエッチングした際に、エッチングが停止される膜であればよく、例えば窒化酸化シリコン(SiCN)膜を用いる。上記ストッパ膜20上の第2絶縁膜21は、例えば下層より、無機絶縁膜22、有機絶縁膜23、無機絶縁膜24が順に積層されているものである。上記無機絶縁膜22は、例えばメチルシルセスキオキサン(MSQ:Metyl Silsesquioxane)膜もしくはハイドロシルセスキオキサン(HSQ:Hydrogen Silsesquioxane)膜が用いられる。また上記有機絶縁膜23には、例えばポリアリールエーテル膜、ポリイミド膜等が用いられる。さらに上記無機絶縁膜24には下層に有機絶縁膜とのエッチング選択性を有する膜が用いられ、例えば炭化酸化シリコン膜が用いられる。   A second insulating film 21 including a stopper film 20 is formed on the first insulating film 12. The stopper film 20 may be a film that stops etching when the upper second insulating film 21 is etched. For example, a silicon nitride oxide (SiCN) film is used. The second insulating film 21 on the stopper film 20 is formed by laminating an inorganic insulating film 22, an organic insulating film 23, and an inorganic insulating film 24 in this order from the lower layer, for example. As the inorganic insulating film 22, for example, a methyl silsesquioxane (MSQ) film or a hydrosilsesquioxane (HSQ) film is used. For the organic insulating film 23, for example, a polyaryl ether film or a polyimide film is used. Further, a film having an etching selectivity with respect to the organic insulating film is used for the inorganic insulating film 24, for example, a silicon carbide oxide film.

上記無機絶縁膜24および有機絶縁膜23には配線溝25が形成され、この配線溝25の底部の上記無機絶縁膜22には接続孔26が形成され、この接続孔26は上記ストッパ膜20を貫通して下層に第1配線17に通じている。   A wiring groove 25 is formed in the inorganic insulating film 24 and the organic insulating film 23, and a connection hole 26 is formed in the inorganic insulating film 22 at the bottom of the wiring groove 25, and the connection hole 26 connects the stopper film 20. It penetrates and communicates with the first wiring 17 in the lower layer.

まず、上記配線溝25および接続孔26の内面に、マンガンシリケート膜を形成し易くするために、水素と炭素を含む酸化シリコン(SiCOH)膜51を形成する。この水素と炭素を含む酸化シリコン膜51は、例えば密度が1.5g/cm3以下のマンガンシリケート(MnSixy)膜の形成を容易にする膜である。上記水素と炭素を含む酸化シリコン膜51は、例えば化学的気相成長法により成膜され、その成膜条件の一例としては、原料ガスにトリメチルシランと酸素とを用い、それらの供給流量は、トリメチルシランwp1000cm3/min、酸素を400cm3/minとし、平行平板RFパワーを700W(13.56MHz)、成膜雰囲気の圧力を0.67kPa、基板温度を350℃、成膜時間を5分とした。上記成膜条件は、水素と炭素を含む酸化シリコン膜51が配線溝25および接続孔26の内面を被覆するように成膜される範囲で変更可能である。 First, a silicon oxide (SiCOH) film 51 containing hydrogen and carbon is formed on the inner surfaces of the wiring trench 25 and the connection hole 26 in order to facilitate the formation of a manganese silicate film. The silicon oxide film 51 containing hydrogen and carbon is a film that facilitates the formation of a manganese silicate (MnSi x O y ) film having a density of 1.5 g / cm 3 or less, for example. The silicon oxide film 51 containing hydrogen and carbon is formed by, for example, a chemical vapor deposition method. As an example of the film formation conditions, trimethylsilane and oxygen are used as a source gas, and their supply flow rates are as follows: Trimethylsilane wp 1000 cm 3 / min, oxygen 400 cm 3 / min, parallel plate RF power 700 W (13.56 MHz), film forming atmosphere pressure 0.67 kPa, substrate temperature 350 ° C., film forming time 5 minutes did. The film forming conditions can be changed within a range in which the silicon oxide film 51 containing hydrogen and carbon is formed so as to cover the inner surfaces of the wiring groove 25 and the connection hole 26.

次に、図9(2)に示すように、指向性を有した逆スパッタ法で接続孔26底部および配線溝25底部の水素と炭素を含む酸化シリコン膜51を除去する。例えば、ICPコイルおよび基板ステ−ジに高周波を印加可能なチャンバーを用いた逆スパッタ法による。この処理条件は、一例として、プロセスガスにアルゴン(Ar)を用い、その流量を30cm3/minとし、ICPコイルRFパワーを300W(13.56MHz)、基板バイアスパワーを300W(13.56MHz)、成膜雰囲気の圧力を0.13Pa、基板を支持するステージには静電チャック方式のものを用い、このステージを室温(例えば18℃〜25℃程度)付近の水冷で行った。上記処理条件は、接続孔26底部および配線溝25底部の水素と炭素を含む酸化シリコン膜51を選択的に除去できる範囲で変更可能である。なお、配線溝25の底部には、水素と炭素を含む酸化シリコン膜51が薄く残っていても構わない。 Next, as shown in FIG. 9B, the silicon oxide film 51 containing hydrogen and carbon on the bottom of the connection hole 26 and the bottom of the wiring groove 25 is removed by a reverse sputtering method having directivity. For example, the reverse sputtering method using a chamber capable of applying a high frequency to the ICP coil and the substrate stage. As an example of this processing condition, argon (Ar) is used as a process gas, the flow rate is 30 cm 3 / min, the ICP coil RF power is 300 W (13.56 MHz), the substrate bias power is 300 W (13.56 MHz), The pressure of the film forming atmosphere was 0.13 Pa, and an electrostatic chuck type stage was used as a stage for supporting the substrate, and this stage was performed by water cooling near room temperature (for example, about 18 ° C. to 25 ° C.). The processing conditions can be changed as long as the silicon oxide film 51 containing hydrogen and carbon at the bottom of the connection hole 26 and the bottom of the wiring trench 25 can be selectively removed. Note that the silicon oxide film 51 containing hydrogen and carbon may remain thin at the bottom of the wiring trench 25.

次に、図10(3)に示すように、配線溝25の内面および接続孔26の内面に、上記水素と炭素を含む酸化シリコン膜51を介して、銅めっきのためのシード膜32を形成する。ここでは、シード膜32を銅マンガン(CuMn)合金で形成した。このとき、シード膜32は、第2絶縁膜21上の第1バリア膜31上にも形成される。このCuMn合金中のマンガン(Mn)濃度は2wt%〜10wt%とした。上記CuMn合金膜の成膜条件の一例としては、PVD法による成膜法を用い、例えば、DCパワーを15kW、基板RFバイアスパワーを0W、プロセスガスにアルゴン(Ar)を用い、そのプロセス雰囲気の圧力を6.7mPaとし、例えば、60nmの厚さに成膜した。   Next, as shown in FIG. 10 (3), a seed film 32 for copper plating is formed on the inner surface of the wiring groove 25 and the inner surface of the connection hole 26 through the silicon oxide film 51 containing hydrogen and carbon. To do. Here, the seed film 32 is formed of a copper manganese (CuMn) alloy. At this time, the seed film 32 is also formed on the first barrier film 31 on the second insulating film 21. The manganese (Mn) concentration in the CuMn alloy was 2 wt% to 10 wt%. As an example of the film forming conditions for the CuMn alloy film, a PVD film forming method is used. For example, the DC power is 15 kW, the substrate RF bias power is 0 W, the process gas is argon (Ar), and the process atmosphere is The pressure was set to 6.7 mPa, and the film was formed to a thickness of 60 nm, for example.

次に、図10(4)に示すように、配線溝25および接続孔26の内部を埋め込むようにシード膜32上に、配線材料33を形成する。この配線材料には、例えば銅を用い、その成膜方法にはめっき法を用いる。   Next, as shown in FIG. 10 (4), a wiring material 33 is formed on the seed film 32 so as to fill the inside of the wiring groove 25 and the connection hole 26. For example, copper is used as the wiring material, and a plating method is used as the film forming method.

次に、図11(5)に示すように、熱処理を行う。この熱処理によって、シード膜32中のマンガン(Mn)と上記水素と炭素を含む酸化シリコン膜51中のシリコン(Si)と酸素(O)とが反応してシリコン含有マンガン酸化物(MnSixy:x、yは任意)膜またはマンガン酸化物(Mnxy:x、yは任意)膜からなるバリア膜52を形成する。すなわち、バリア膜52が自己整合的に形成される。これによって、配線溝25の内面、接続孔26の内面において、配線材料33と第1、第2絶縁膜12、21とが直接接触する領域がなくなる。また、第1配線17は接続孔26底部で配線材料33と接続されている。上記熱処理条件は、一例として、熱処理温度を300℃〜400℃で、銅表面に生成される酸化膜を除去することが可能な水素(H2)ガスと希釈用窒素(N2)ガスを流して、1時間行う。この処理時間は一例であり、第2バリア膜34が形成される条件であれば、適宜変更可能である。 Next, heat treatment is performed as shown in FIG. By this heat treatment, manganese (Mn) in the seed film 32, silicon (Si) in the silicon oxide film 51 containing hydrogen and carbon, and oxygen (O) react to react with each other, and thus a silicon-containing manganese oxide (MnSi x O y). : X and y are arbitrary) and a barrier film 52 made of a manganese oxide (Mn x O y : x and y are arbitrary) film is formed. That is, the barrier film 52 is formed in a self-aligning manner. As a result, there is no region where the wiring material 33 and the first and second insulating films 12 and 21 are in direct contact with each other on the inner surface of the wiring groove 25 and the inner surface of the connection hole 26. The first wiring 17 is connected to the wiring material 33 at the bottom of the connection hole 26. As an example of the heat treatment conditions, the heat treatment temperature is 300 ° C. to 400 ° C., and hydrogen (H 2 ) gas and diluting nitrogen (N 2 ) gas capable of removing the oxide film formed on the copper surface are flowed. For 1 hour. This processing time is an example, and can be appropriately changed as long as the second barrier film 34 is formed.

次に、図11(6)に示すように、例えば化学的機械研磨(CMP)法によって、第2絶縁膜21上の余剰な配線材料33(シード膜32も含む)、バリア膜52等を除去し、絶縁膜21を露出させるとともに、配線溝25内にバリア膜52を介して配線材料33(シード膜32も含む)からなる第2配線35を形成するとともに、接続孔26の内部に第1バリア膜31および第2バリア膜34を介して配線材料33(シード膜32も含む)からなるもので、第1配線17に接続する第2配線35のプラグ36を形成する。次いで、上記第2配線35を被覆するように、上記第2絶縁膜21上にバリア膜37を形成する。このバリア膜37は、例えばシリコンと炭素からなる絶縁膜、例えば炭化シリコン(SiC)膜、もしくは例えばシリコンと炭素と窒素からなる絶縁膜、例えば窒化炭化シリコン(SiCN)膜で形成する。この成膜方法は、例えば化学的気相成長(CVD)法を採用することができる。   Next, as shown in FIG. 11 (6), the excess wiring material 33 (including the seed film 32), the barrier film 52, and the like on the second insulating film 21 are removed by, for example, chemical mechanical polishing (CMP). Then, the insulating film 21 is exposed, the second wiring 35 made of the wiring material 33 (including the seed film 32) is formed in the wiring groove 25 via the barrier film 52, and the first inside the connection hole 26 is formed. A plug 36 of the second wiring 35 connected to the first wiring 17 is formed of the wiring material 33 (including the seed film 32) via the barrier film 31 and the second barrier film 34. Next, a barrier film 37 is formed on the second insulating film 21 so as to cover the second wiring 35. The barrier film 37 is formed of, for example, an insulating film made of silicon and carbon, for example, a silicon carbide (SiC) film, or an insulating film made of, for example, silicon, carbon, and nitrogen, for example, a silicon nitride carbide (SiCN) film. As this film forming method, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method can be adopted.

上記第3実施例の製造方法によれば、接続孔26の底部を除く部分に密着性の高いバリア膜52を形成することができるため、バリア膜52とシード膜32との間、すなわちタンタル(Ta)と銅マンガン(CuMn)との間の金属間結合を有した強固な密着性が確保できる。また、バリア膜52と第2絶縁膜21との間は、双方との密着成膜が高い水素と炭素を含む酸化シリコン膜51によって密着性が確保できる。よって、バリア膜52を介して第2配線35と第2絶縁膜21との密着性が確保できるので、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、接続孔26底部における第1配線17と第2配線35との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、第1配線17と第2配線35(プラグ36)とのコンタクト抵抗の低減により、例えば動作速度の向上が図れる。   According to the manufacturing method of the third embodiment, since the barrier film 52 having high adhesion can be formed in the portion excluding the bottom of the connection hole 26, the barrier film 52 and the seed film 32, that is, tantalum ( Strong adhesion having an intermetallic bond between Ta) and copper manganese (CuMn) can be ensured. In addition, the adhesion between the barrier film 52 and the second insulating film 21 can be secured by the silicon oxide film 51 containing hydrogen and carbon, which is highly adhered to each other. Therefore, the adhesiveness between the second wiring 35 and the second insulating film 21 can be ensured through the barrier film 52, so that there is an advantage that the wiring reliability can be improved. In addition, since the connection between the first wiring 17 and the second wiring 35 at the bottom of the connection hole 26 is a direct connection between the wirings without passing through the barrier film, adhesion can be ensured and contact resistance can be reduced. Therefore, there is an advantage that the wiring reliability can be improved. Further, by reducing the contact resistance between the first wiring 17 and the second wiring 35 (plug 36), for example, the operation speed can be improved.

また、密着性を向上させることができるので、化学的機械研磨時の機械的ストレスによる配線材料33の剥がれ、熱処理の熱ストレスによる銅の界面移動から発生する断線不良を抑制することが可能となる。この点からの、配線信頼性の向上が図れる。   In addition, since the adhesion can be improved, it is possible to suppress disconnection failure caused by peeling of the wiring material 33 due to mechanical stress during chemical mechanical polishing and movement of the copper interface due to thermal stress during heat treatment. . From this point, the wiring reliability can be improved.

本発明の半導体装置に係る一実施の形態(第1実施例)を示した概略構成断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment (first embodiment) of a semiconductor device according to the present invention. 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)を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Embodiment (1st Example) which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態(第1実施例)を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Embodiment (1st Example) which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態(第1実施例)を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Embodiment (1st Example) which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態(第1実施例)を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Embodiment (1st Example) which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態(第2実施例)を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Embodiment (2nd Example) which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態(第2実施例)を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Embodiment (2nd Example) which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態(第2実施例)を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Embodiment (2nd Example) which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態(第3実施例)を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Embodiment (3rd Example) which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態(第3実施例)を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Embodiment (3rd Example) which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態(第3実施例)を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Embodiment (3rd Example) which concerns on the manufacturing method of the semiconductor device of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…半導体装置、11…基板、12…第1絶縁膜、17…第1配線、21…第2絶縁膜、25…配線溝、26…接続孔、31…第1バリア膜、34…第2バリア膜、35…第2配線   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor device, 11 ... Board | substrate, 12 ... 1st insulating film, 17 ... 1st wiring, 21 ... 2nd insulating film, 25 ... Wiring groove, 26 ... Connection hole, 31 ... 1st barrier film, 34 ... 2nd Barrier film, 35 ... second wiring

Claims (5)

基板上の第1絶縁膜に形成された第1配線を被覆する第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝の底部の前記第2絶縁膜に形成されたもので前記第1配線に通じる接続孔と、
前記接続孔底部を除く前記配線溝と接続孔との内面に形成された第1バリア膜と、
前記接続孔底部の前記第1絶縁膜上に形成された第2バリア膜と、
前記第1バリア膜および第2バリア膜を介して前記配線溝および前記接続孔に埋め込まれた第2配線と
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A second insulating film covering the first wiring formed on the first insulating film on the substrate;
A wiring groove formed in the second insulating film;
A connection hole that is formed in the second insulating film at the bottom of the wiring groove and communicates with the first wiring;
A first barrier film formed on the inner surface of the wiring groove and the connection hole excluding the bottom of the connection hole;
A second barrier film formed on the first insulating film at the bottom of the connection hole;
A semiconductor device comprising: a second wiring embedded in the wiring groove and the connection hole through the first barrier film and the second barrier film.
基板上の第1絶縁膜に形成された第1配線を被覆する第2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第1絶縁膜上に第2バリア膜を形成する工程と、
前記配線溝および前記接続孔に前記第1バリア膜および第2バリア膜を介して第2配線を形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a wiring groove in the second insulating film covering the first wiring formed on the first insulating film on the substrate 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;
Forming a second barrier film on the first insulating film at the bottom of the connection hole;
And a step of forming a second wiring in the wiring trench and the connection hole via the first barrier film and the second barrier film.
前記接続孔底部の前記絶縁膜上に第2バリア膜を形成する工程は、
前記接続孔および前記配線溝の各内面に銅マンガン膜を形成する工程と、
前記銅マンガン膜中のマンガンと前記銅マンガン膜に接触する前記絶縁膜中のシリコンおよび酸素とを反応させて、前記接続孔底部の前記絶縁膜上にマンガンシリケートを生成して前記第2バリア膜を形成する工程と
を有することを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
Forming a second barrier film on the insulating film at the bottom of the connection hole;
Forming a copper manganese film on each inner surface of the connection hole and the wiring groove;
The second barrier film is formed by reacting manganese in the copper-manganese film with silicon and oxygen in the insulating film in contact with the copper-manganese film to form manganese silicate on the insulating film at the bottom of the connection hole. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, further comprising:
前記接続孔底部の前記絶縁膜上に第2バリア膜を形成する工程は、
前記接続孔の底部および前記配線溝の底部に銅マンガン膜を形成する工程と、
前記銅マンガン膜中のマンガンと前記銅マンガン膜に接触する前記絶縁膜中のシリコンおよび酸素とを反応させて、前記接続孔底部の前記絶縁膜上にマンガンシリケートを生成して前記第2バリア膜を形成する工程と
を有することを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
Forming a second barrier film on the insulating film at the bottom of the connection hole;
Forming a copper manganese film at the bottom of the connection hole and the bottom of the wiring groove;
The second barrier film is formed by reacting manganese in the copper-manganese film with silicon and oxygen in the insulating film in contact with the copper-manganese film to form manganese silicate on the insulating film at the bottom of the connection hole. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, further comprising:
前記第1バリア膜の代わりに前記接続孔底部を除く前記配線溝と接続孔との内面に水素と炭素を含む酸化シリコン膜を形成し、
前記接続孔底部の前記絶縁膜上に第2バリア膜を形成する工程は、
前記接続孔および前記配線溝の内面に銅マンガン膜を形成する工程と、
前記銅マンガン膜中のマンガンと前記水素と炭素を含む酸化シリコン膜中のシリコンおよび酸素とを反応させて、マンガンシリケートを生成して前記第2バリア膜を形成する工程と
を有することを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
Instead of the first barrier film, a silicon oxide film containing hydrogen and carbon is formed on the inner surfaces of the wiring groove and the connection hole excluding the bottom of the connection hole,
Forming a second barrier film on the insulating film at the bottom of the connection hole;
Forming a copper manganese film on the inner surface of the connection hole and the wiring groove;
Reacting manganese in the copper-manganese film with silicon and oxygen in the silicon oxide film containing hydrogen and carbon to form manganese silicate to form the second barrier film. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2.
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