JP2008118063A - Semiconductor device, and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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JP2008118063A JP2006302179A JP2006302179A JP2008118063A JP 2008118063 A JP2008118063 A JP 2008118063A JP 2006302179 A JP2006302179 A JP 2006302179A JP 2006302179 A JP2006302179 A JP 2006302179A JP 2008118063 A JP2008118063 A JP 2008118063A
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Okiaki Matsuzawa
興明 松澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress increase in wiring resistance caused by use of catalyst metal and to hold better the coverage of an alloy metal layer on wiring groove. <P>SOLUTION: A first cobalt tungsten phosphide film 107 is formed on copper 106 formed on wiring groove 103 or formed on a portion of copper alloy area by means of an electroless plating method without catalyst metal. Subsequently, the electroless plating method using catalyst metal is used to form a second cobalt tungsten phosphide film 110 on portion 108 which is formed on the wiring groove 103 and is not covered by the first cobalt-tungsten-phosphor film 107. As a result, a palladium film 109 is formed on area having dense wiring, through the first cobalt-tungsten-phosphor film 107, so that metal alloy containing copper is not formed, thereby being capable of suppressing increase in wiring resistance; and the metal alloy layer can be formed on the wiring groove with coverage being good, so that low resistance and high reliable wring can be formed. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、銅を含む金属配線上に銅の拡散を防止するためのキャップ膜が形成される半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which a cap film for preventing copper diffusion is formed on a metal wiring containing copper, and a method for manufacturing the same.

近年、半導体装置の微細化、高速化に伴い、配線用材料として従来用いられてきたアルミニウム合金に代わり、より比抵抗の低い銅を用いる技術が採用され始めている。銅は比抵抗が1.8μΩ・cmとアルミニウムの2.7μΩ・cmと比較して低く、高速化に有利な上、アルミニウム合金と比較してエレクトロマイグレーション耐性が高いため、配線の信頼性の観点からも有利である。   In recent years, with the miniaturization and speeding up of semiconductor devices, a technique using copper having a lower specific resistance instead of an aluminum alloy conventionally used as a wiring material has begun to be adopted. Copper has a specific resistance of 1.8 μΩ · cm, which is lower than that of aluminum, 2.7 μΩ · cm, which is advantageous for speeding up, and has higher electromigration resistance than aluminum alloys. Is also advantageous.

銅配線は一般に多層化して用いられる。その際、下層配線の銅が上層の絶縁膜へと拡散することを防止するため、下層配線上に、銅の拡散防止膜として機能するシリコン窒化膜からなるバリア膜が形成されている。しかしながら、シリコン窒化膜は銅との密着性が悪いため、配線を流れる電流の密度が増大した場合には、銅が界面に沿って拡散し、ボイド発生による配線不良を引き起こすことが懸念される。プロセスルールの微細化が進行し、45nmノード以細のデザインルールになると、配線を流れる電流密度が更に増大するため、このようなボイドが発生し、配線の信頼性が劣化する可能性が高くなる。このような配線の信頼性劣化を防止するため、銅配線上を、銅との密着性が高い合金からなるキャップ膜、例えば、W、Pが添加されたCo合金膜(以下、コバルトタングステンリン膜と記す)等により被覆する方法が検討されている。このキャップ膜の形成方法としては、主に無電解めっきが用いられており、パラジウム等の触媒金属を用いる方法と、触媒金属を用いない方法の2通りが知られている。   Copper wiring is generally used in multiple layers. At that time, in order to prevent copper in the lower layer wiring from diffusing into the upper insulating film, a barrier film made of a silicon nitride film functioning as a copper diffusion preventing film is formed on the lower layer wiring. However, since the silicon nitride film has poor adhesion to copper, when the density of the current flowing through the wiring increases, there is a concern that copper diffuses along the interface and causes wiring defects due to voids. As the process rule becomes finer and the design rule becomes smaller than 45 nm node, the current density flowing through the wiring further increases. Therefore, there is a high possibility that such a void occurs and the reliability of the wiring deteriorates. . In order to prevent such reliability deterioration of the wiring, a cap film made of an alloy having high adhesion to copper, for example, a Co alloy film to which W or P is added (hereinafter referred to as a cobalt tungsten phosphorous film) is formed on the copper wiring. The method of coating is being studied. As a method of forming this cap film, electroless plating is mainly used, and two methods are known: a method using a catalyst metal such as palladium and a method not using a catalyst metal.

まず、従来技術1でのキャップ膜の形成方法について図2を参照しながら説明する。
図2は従来技術1の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図である。
First, a method for forming a cap film in the prior art 1 will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating a method of forming a cap film in the semiconductor device of the prior art 1.

図2に示すように、まず、トランジスタなどの素子、および下層の配線まで形成した半導体基板200の上に、プラズマCVD法を用いて膜厚50nmのシリコン窒化膜201を形成する。   As shown in FIG. 2, first, a silicon nitride film 201 having a thickness of 50 nm is formed on a semiconductor substrate 200 on which elements such as transistors and lower wirings are formed using a plasma CVD method.

次に、シリコン窒化膜201上に膜厚150nmのシリコン酸化膜202を形成する(図2(a))。
次に、シリコン酸化膜202上にフォトレジストを用いて配線溝のパターンを形成し、シリコン酸化膜202とシリコン窒化膜201をドライエッチング法により除去することにより配線溝203を形成する(図2(b))。
Next, a 150 nm-thickness silicon oxide film 202 is formed on the silicon nitride film 201 (FIG. 2A).
Next, a wiring groove pattern is formed on the silicon oxide film 202 using a photoresist, and the wiring groove 203 is formed by removing the silicon oxide film 202 and the silicon nitride film 201 by a dry etching method (FIG. 2 ( b)).

次に、配線溝203の内壁に、スパッタリング法を用いてバリア膜として、例えば20nmのTa膜204を形成する。
次に、スパッタリング法を用い、例えば30nmのCu膜205を形成する(図2(c))。
Next, for example, a 20 nm Ta film 204 is formed as a barrier film on the inner wall of the wiring trench 203 using a sputtering method.
Next, a Cu film 205 of, eg, 30 nm is formed using a sputtering method (FIG. 2C).

次に、電解めっき法を用いて配線溝203に銅206を埋め込む。電解めっきにより成膜する銅206の膜厚は配線溝203中で600nmである(図2(d))。
次に、CMP法により、配線溝203の上部の銅206とTa膜204を除去して平坦化することにより、配線溝203に金属配線を形成する(図2(e))。
Next, copper 206 is embedded in the wiring trench 203 using an electrolytic plating method. The film thickness of the copper 206 formed by electrolytic plating is 600 nm in the wiring groove 203 (FIG. 2D).
Next, the copper 206 and the Ta film 204 on the wiring trench 203 are removed and planarized by CMP to form a metal wiring in the wiring trench 203 (FIG. 2E).

次に、上記半導体基板200を、塩化パラジウム溶液に浸漬する。パラジウムは銅よりもイオン化傾向が小さいため、配線溝203の表面に露出した銅206と、溶液中のパラジウムイオンの置換めっき反応が生じ、配線溝203中の銅206の表面にパラジウム膜207が形成される(図2(f))。   Next, the semiconductor substrate 200 is immersed in a palladium chloride solution. Since palladium has a smaller ionization tendency than copper, a displacement plating reaction of copper 206 exposed on the surface of the wiring groove 203 and palladium ions in the solution occurs, and a palladium film 207 is formed on the surface of the copper 206 in the wiring groove 203. (FIG. 2 (f)).

次に、無電解めっき法により、パラジウム膜207上にキャップ膜であるコバルトタングステンリン膜208を堆積する。コバルトタングステンリン膜208の膜厚は1〜10nmである(図2(g))。   Next, a cobalt tungsten phosphorous film 208 as a cap film is deposited on the palladium film 207 by electroless plating. The film thickness of the cobalt tungsten phosphorous film 208 is 1 to 10 nm (FIG. 2 (g)).

以上の工程により、金属配線上に、従来技術1を用いてキャップ膜を形成した半導体装置が完成する(例えば、特許文献1参照)。
次に、従来技術2でのキャップ膜の形成方法について図3を参照しながら説明する。
Through the above steps, a semiconductor device in which a cap film is formed on the metal wiring using the conventional technique 1 is completed (see, for example, Patent Document 1).
Next, a method for forming a cap film in the prior art 2 will be described with reference to FIG.

図3は従来技術2の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図である。
図3に示すように、まず、トランジスタなどの素子、および下層の配線まで形成した半導体基板300の上に、プラズマCVD法を用いて膜厚50nmのシリコン窒化膜301を形成する。
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating a method of forming a cap film in the semiconductor device of the prior art 2.
As shown in FIG. 3, first, a silicon nitride film 301 having a thickness of 50 nm is formed on a semiconductor substrate 300 on which elements such as transistors and lower wirings are formed using a plasma CVD method.

次に、シリコン窒化膜301上に膜厚150nmのシリコン酸化膜302を形成する(図3(a))。
次に、シリコン酸化膜302上にフォトレジストを用いて配線溝のパターンを形成し、シリコン酸化膜302とシリコン窒化膜301をドライエッチング法により除去することにより配線溝303を形成する(図3(b))。
Next, a 150 nm-thickness silicon oxide film 302 is formed on the silicon nitride film 301 (FIG. 3A).
Next, a wiring groove pattern is formed on the silicon oxide film 302 using a photoresist, and the silicon oxide film 302 and the silicon nitride film 301 are removed by a dry etching method to form a wiring groove 303 (FIG. 3 ( b)).

次に、配線溝303の内壁に、スパッタリング法を用いてバリア膜として、例えば20nmのTa膜304を形成する。
次に、スパッタリング法を用い、例えば30nmのCu膜305を形成する(図3(c))。
Next, for example, a 20 nm Ta film 304 is formed on the inner wall of the wiring trench 303 as a barrier film by sputtering.
Next, a Cu film 305 of 30 nm, for example, is formed by sputtering (FIG. 3C).

次に、電解めっき法を用いて配線溝303に銅306を埋め込む。電解めっきにより成膜する銅306の膜厚は配線溝303中で600nmである(図3(d))。
次に、CMP法により、配線溝303の上部の銅306とTa膜304を除去して平坦化することにより、配線溝303に金属配線を形成する(図3(e))。
Next, copper 306 is embedded in the wiring groove 303 using an electrolytic plating method. The film thickness of the copper 306 formed by electrolytic plating is 600 nm in the wiring groove 303 (FIG. 3D).
Next, the copper 306 and the Ta film 304 on the upper part of the wiring groove 303 are removed and planarized by CMP, thereby forming a metal wiring in the wiring groove 303 (FIG. 3E).

次に、無電解めっき法により、配線溝303にキャップ膜であるコバルトタングステンリン膜307を堆積する(図3(f))。コバルトタングステンリン膜307の膜厚は1〜10nmである。   Next, a cobalt tungsten phosphorous film 307 as a cap film is deposited in the wiring trench 303 by electroless plating (FIG. 3F). The film thickness of the cobalt tungsten phosphorous film 307 is 1 to 10 nm.

以上の工程により、金属配線上に、従来技術2を用いてキャップ膜を形成した半導体装置が完成する(例えば、特許文献2参照)。
特開2001−230220号公報 米国特許第5695810明細書
Through the above steps, a semiconductor device in which a cap film is formed on the metal wiring using the conventional technique 2 is completed (see, for example, Patent Document 2).
JP 2001-230220 A US Pat. No. 5,695,810

しかしながら、上で述べた従来技術1、従来技術2によるキャップ膜の形成方法はそれぞれに問題点をもっている。
まず、従来技術1の問題点について述べる。触媒金属として例えばパラジウムを用いる場合、パラジウムイオンを含む前処理液に基板表面を曝し、配線溝の表面に置換めっきによりパラジウムを析出させた後、引き続く無電解めっきにより、パラジウムを核としてキャップ膜を析出させる。このような方法では、置換めっきを行う際に銅の溶出を伴うため、配線抵抗上昇を引き起こすことが懸念される。また、配線上に残留したパラジウムが配線材料である銅に拡散し、合金化することによる配線抵抗上昇を引き起こすという問題点があった。
However, the cap film forming methods according to the prior art 1 and the prior art 2 described above have respective problems.
First, problems of prior art 1 will be described. For example, when palladium is used as the catalyst metal, the surface of the substrate is exposed to a pretreatment solution containing palladium ions, and palladium is deposited on the surface of the wiring groove by displacement plating, and then the cap film is formed using palladium as a nucleus by subsequent electroless plating. Precipitate. In such a method, there is a concern that an increase in wiring resistance is caused because copper is eluted during displacement plating. In addition, there is a problem in that palladium remaining on the wiring diffuses into copper, which is a wiring material, and causes an increase in wiring resistance due to alloying.

次に、従来技術2の問題点について述べる。触媒金属を用いない場合、キャップ膜は配線溝表面の銅の触媒作用により析出する。ここで、銅の触媒性はパラジウム等の貴金属と比較して低いため、キャップ膜の初期核が形成する活性点の密度は、触媒金属を用いた場合と比較して少なくなると考えられる。このことにより、キャップメタルの成長にパターン間差が発生する。配線パターン率(全表面積に占める配線溝の表面積の割合)が密な配線パターンでは、配線溝の表面に活性点が存在する可能性が高いため、キャップ膜の成膜が開始しやすく配線溝の表面の全面がキャップ膜に被覆されると考えられる。一方、パターン率が10%程度の孤立した配線パターンでは、配線溝の表面に活性点が存在する可能性が相対的に低くなるため、キャップ膜が析出しにくくなり、配線溝の表面にキャップ膜が被覆されない部分が発生し、被覆性が悪化すると考えられる。このようにキャップ膜による配線溝の表面の被覆性が悪い場合、キャップ膜で被覆されていない配線溝表面がシリコン窒化膜と接するため、十分な配線の信頼性を得ることが出来ないという問題点があった。   Next, problems of the prior art 2 will be described. When no catalytic metal is used, the cap film is deposited by the catalytic action of copper on the surface of the wiring groove. Here, since the catalytic property of copper is lower than that of noble metals such as palladium, the density of active sites formed by the initial nuclei of the cap film is considered to be lower than that in the case of using a catalytic metal. As a result, a difference between patterns occurs in the growth of the cap metal. In a wiring pattern with a dense wiring pattern ratio (ratio of the surface area of the wiring groove to the total surface area), there is a high possibility that an active site exists on the surface of the wiring groove. It is considered that the entire surface is covered with the cap film. On the other hand, in an isolated wiring pattern with a pattern rate of about 10%, the possibility that an active site is present on the surface of the wiring groove is relatively low, so that the cap film is difficult to deposit, and the cap film is formed on the surface of the wiring groove. It is considered that a portion that is not coated occurs and the covering property is deteriorated. Thus, when the coverage of the surface of the wiring groove by the cap film is poor, the wiring groove surface not covered by the cap film is in contact with the silicon nitride film, so that sufficient wiring reliability cannot be obtained. was there.

そこで本発明は、触媒金属使用による配線抵抗上昇を最小限に抑制し、かつ、配線溝の上に被覆性良くキャップ膜を形成することにより、低抵抗で信頼性の高い配線を有する半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor device having a low-resistance and high-reliability wiring by minimizing an increase in wiring resistance due to the use of a catalyst metal and forming a cap film with good coverage on the wiring groove, and It aims at providing the manufacturing method.

前記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、半導体素子が形成された半導体基板に銅溝配線が形成される半導体装置であって、前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上部の所定の位置に形成された溝に埋め込まれた銅または銅合金からなる金属配線と、前記金属配線の第1の領域上に形成される第1の合金層と、前記金属配線上の前記第1の領域外である第2の領域上に形成される触媒金属膜と、前記触媒金属膜上に形成される第2の合金膜とを有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which a copper trench wiring is formed on a semiconductor substrate on which a semiconductor element is formed, and an insulating film formed on the semiconductor substrate, A metal wiring made of copper or a copper alloy embedded in a groove formed in a predetermined position above the insulating film, a first alloy layer formed on a first region of the metal wiring, and the metal wiring A catalytic metal film formed on the second region outside the first region, and a second alloy film formed on the catalytic metal film.

さらに、前記第1の合金層上にも前記触媒金属膜及び前記第2の合金層とを形成することを特徴とする。
さらに、前記第1の合金層は、コバルト合金またはニッケル合金からなることを特徴とする。
Furthermore, the catalytic metal film and the second alloy layer are also formed on the first alloy layer.
Further, the first alloy layer is made of a cobalt alloy or a nickel alloy.

さらに、前記コバルト合金またはニッケル合金は、タングステン、リン、ホウ素のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする。
さらに、前記触媒金属膜は、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうちの少なくとも1つからなることを特徴とする。
Furthermore, the cobalt alloy or the nickel alloy includes at least one of tungsten, phosphorus, and boron.
Furthermore, the catalytic metal film is made of at least one of gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, and osmium.

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子が形成された半導体基板に銅溝配線が形成される半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上部の所定の位置に溝を形成する工程と、前記溝に銅または銅合金を埋め込んで金属配線を形成する工程と、前記金属配線の第1の領域上に無電解めっき法によって第1の合金層を形成する工程と、前記金属配線上の前記第1の領域外である第2の領域上に置換めっき法によって触媒金属膜を形成する工程と、前記触媒金属膜上に無電解めっき法によって第2の合金層を選択的に形成する工程とを有することを特徴とする。   The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device in which a copper trench wiring is formed on a semiconductor substrate on which a semiconductor element is formed, the step of forming an insulating film on the semiconductor substrate, and the insulation A step of forming a groove at a predetermined position above the film, a step of forming a metal wiring by embedding copper or a copper alloy in the groove, and a first region by electroless plating on the first region of the metal wiring. A step of forming an alloy layer, a step of forming a catalytic metal film on a second region outside the first region on the metal wiring by a displacement plating method, and an electroless plating method on the catalytic metal film And a step of selectively forming the second alloy layer.

さらに前記触媒金属膜を形成する工程において、前記第1の合金層上にも前記触媒金属膜を形成することを特徴とする。
さらに、前記第1の合金層は、コバルト合金またはニッケル合金からなることを特徴とする。
Further, in the step of forming the catalytic metal film, the catalytic metal film is also formed on the first alloy layer.
Further, the first alloy layer is made of a cobalt alloy or a nickel alloy.

さらに、前記コバルト合金またはニッケル合金は、タングステン、リン、ホウ素のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする。
さらに、上記触媒金属膜は、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうちの少なくとも1つからなることを特徴とする。
Furthermore, the cobalt alloy or the nickel alloy includes at least one of tungsten, phosphorus, and boron.
Further, the catalytic metal film is made of at least one of gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, and osmium.

以上により、配線抵抗の上昇を抑制しながら、配線溝の表面に被覆性良くキャップ膜を形成することができる。   As described above, the cap film can be formed on the surface of the wiring groove with good coverage while suppressing the increase in wiring resistance.

以上のように、銅配線上に第一のコバルトタングステンリン膜を形成し、さらに、第一のコバルトタングステンリン膜に被覆されない銅配線部分及び第一のコバルトタングステンリン膜上にパラジウム膜を形成した上に、第二のコバルトタングステンリン膜を形成することにより、配線抵抗の上昇を抑制しながら、配線溝の表面に被覆性良くキャップ膜を形成することができる。   As described above, the first cobalt tungsten phosphorous film is formed on the copper wiring, and further, the palladium wiring film is formed on the copper wiring portion not covered with the first cobalt tungsten phosphorous film and the first cobalt tungsten phosphorous film. Further, by forming the second cobalt tungsten phosphorous film, it is possible to form a cap film on the surface of the wiring groove with good coverage while suppressing an increase in wiring resistance.

以下、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図1を参照しながら説明する。
図1は本発明の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図である。
A method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 1 is a process sectional view showing a method for forming a cap film in a semiconductor device of the present invention.

図1に示すように、まず、トランジスタなどの素子、および下層の配線まで形成した半導体基板100の上に、プラズマCVD法を用いて膜厚50nmのシリコン窒化膜101を形成する。ここで、シリコン窒化膜101は、比誘電率5.0以下であればよい。   As shown in FIG. 1, first, a silicon nitride film 101 having a thickness of 50 nm is formed on a semiconductor substrate 100 formed with elements such as transistors and the underlying wiring by plasma CVD. Here, the silicon nitride film 101 may have a relative dielectric constant of 5.0 or less.

次に、シリコン窒化膜101上に膜厚150nmのシリコン酸化膜102を形成する。ここで、シリコン酸化膜102をはじめとする絶縁膜としては、比誘電率2.0〜3.0の低誘電率膜であればよい(図1(a))。   Next, a silicon oxide film 102 having a thickness of 150 nm is formed on the silicon nitride film 101. Here, the insulating film including the silicon oxide film 102 may be a low dielectric constant film having a relative dielectric constant of 2.0 to 3.0 (FIG. 1A).

次に、シリコン酸化膜102上にフォトレジストを用いて幅100nmの配線溝のパターンを形成し、シリコン酸化膜102とシリコン窒化膜101をドライエッチング法により除去することにより配線溝103を形成する(図1(b))。   Next, a wiring groove pattern having a width of 100 nm is formed on the silicon oxide film 102 using a photoresist, and the wiring groove 103 is formed by removing the silicon oxide film 102 and the silicon nitride film 101 by a dry etching method (see FIG. FIG. 1 (b)).

次に、配線溝103の内壁に、スパッタリング法を用いてバリア膜としてTa膜104を形成する。このときのTa成膜条件は、DCパワー=30kW、ACバイアスパワー=350Wであり、Ta膜104の膜厚は20nm以下であることが望ましい。また、バリア膜はTa膜104に限定されるものではなく、Ta、Ti、Wあるいはそれらの化合物でもよい。成膜方法としては、スパッタリング法に限定されるものではなく、CVD法等を用いてもよい。   Next, a Ta film 104 is formed as a barrier film on the inner wall of the wiring trench 103 by using a sputtering method. The Ta film formation conditions at this time are DC power = 30 kW, AC bias power = 350 W, and the film thickness of the Ta film 104 is desirably 20 nm or less. The barrier film is not limited to the Ta film 104, and may be Ta, Ti, W, or a compound thereof. The film forming method is not limited to the sputtering method, and a CVD method or the like may be used.

次に、スパッタリング法を用い、Ta膜104上全面にCu膜105を形成する(図1(c))。このときのCu成膜条件は、DCパワー=30kW、ACバイアスパワー=600Wであり、Cu膜105の膜厚は30nm以下であることが望ましい。また、Cu膜105は、Sn、Ti、Al、Agを含むCu合金膜であってもよい。   Next, a Cu film 105 is formed on the entire surface of the Ta film 104 by using a sputtering method (FIG. 1C). At this time, the Cu film forming conditions are DC power = 30 kW, AC bias power = 600 W, and the film thickness of the Cu film 105 is desirably 30 nm or less. The Cu film 105 may be a Cu alloy film containing Sn, Ti, Al, and Ag.

次に、電解めっき法を用いて配線溝103のCu膜105上に銅106を埋め込む。このときの電解めっきの堆積条件は、電流密度=15mA/cm、回転数=20rpmであり、電解めっき液としては、硫酸銅溶液を用いる。そして、電解めっきにより成膜する銅106の膜厚は600nmである。なお、銅106の埋め込み方法に関しては、電解めっき法に限定されるものではなく、無電解めっき法等を用いてもよい(図1(d))。 Next, copper 106 is embedded on the Cu film 105 in the wiring groove 103 by using an electrolytic plating method. The electrolytic plating deposition conditions at this time are current density = 15 mA / cm 2 and rotation speed = 20 rpm, and a copper sulfate solution is used as the electrolytic plating solution. And the film thickness of the copper 106 formed into a film by electroplating is 600 nm. The method for embedding the copper 106 is not limited to the electrolytic plating method, and an electroless plating method or the like may be used (FIG. 1 (d)).

次に、CMP法により、配線溝103の上部の銅106と配線溝103外のTa膜104を除去して平坦化することにより、配線溝103に金属配線を形成する(図1(e))。CMP法による平坦化は、銅106を除去するステップと、Ta膜104および余分なシリコン酸化膜102を除去するステップの2つのステップからなる。銅106を除去するステップのCMPプロセス条件は、platen回転数100rpm、圧力0.8psiである。Ta膜(104)およびシリコン酸化膜(102)を除去するステップのCMPプロセス条件は、platen回転数80rpm、圧力1.5psiである。   Next, the copper 106 above the wiring groove 103 and the Ta film 104 outside the wiring groove 103 are removed and planarized by CMP, thereby forming a metal wiring in the wiring groove 103 (FIG. 1E). . Planarization by the CMP method includes two steps: a step of removing the copper 106 and a step of removing the Ta film 104 and the excess silicon oxide film 102. The CMP process conditions for removing the copper 106 are a platen speed of 100 rpm and a pressure of 0.8 psi. The CMP process conditions for removing the Ta film (104) and the silicon oxide film (102) are a platen rotation speed of 80 rpm and a pressure of 1.5 psi.

次に、無電解めっき法により、配線溝103に第一のコバルトタングステンリン膜107を堆積する(図1(f))。無電解めっき液の組成は、塩化コバルト、タングステン酸アンモニウム、次亜リン酸アンモニウム、シュウ酸アンモニウムからなり、無電解めっき液のpHは10である。また、無電解めっきのプロセス温度は50〜90℃である。この方法により、配線溝103の表面における銅の触媒作用により、配線溝103の上で選択的に、コバルトイオン、及びタングステン酸イオンの次亜リン酸イオンによる還元反応が進行し、第一のコバルトタングステンリン膜107が析出する。そして、第1のコバルトタングステンリン膜107は配線溝の領域内で島状に形成される。第一のコバルトタングステンリン膜107の膜厚は、配線パターンの面積率(全表面積に占める配線溝103の表面積の割合)が50%の箇所にて、1〜10nmであることが望ましい。但し、銅の触媒活性は、パラジウム等の貴金属と比較して低いため、配線パターンの面積率が低くなると、配線溝103の表面に第一のコバルトタングステンリン膜107が析出しにくくなる現象が発生する。そのため、配線パターンの面積率が10%程度の孤立した配線パターンでは、配線溝103の表面に第一のコバルトタングステンリン膜107に被覆されない部分108が発生する。   Next, a first cobalt tungsten phosphorous film 107 is deposited in the wiring trench 103 by electroless plating (FIG. 1F). The composition of the electroless plating solution is composed of cobalt chloride, ammonium tungstate, ammonium hypophosphite, and ammonium oxalate, and the pH of the electroless plating solution is 10. Moreover, the process temperature of electroless plating is 50-90 degreeC. By this method, by the catalytic action of copper on the surface of the wiring groove 103, a reduction reaction of cobalt ions and tungstate ions by hypophosphite ions proceeds selectively on the wiring groove 103, and the first cobalt. A tungsten phosphorous film 107 is deposited. The first cobalt tungsten phosphorous film 107 is formed in an island shape in the region of the wiring trench. The film thickness of the first cobalt tungsten phosphorous film 107 is desirably 1 to 10 nm at a location where the area ratio of the wiring pattern (the ratio of the surface area of the wiring groove 103 to the total surface area) is 50%. However, since the catalytic activity of copper is lower than that of noble metals such as palladium, a phenomenon that the first cobalt tungsten phosphorous film 107 is difficult to be deposited on the surface of the wiring groove 103 occurs when the area ratio of the wiring pattern is low. To do. Therefore, in an isolated wiring pattern in which the area ratio of the wiring pattern is about 10%, a portion 108 that is not covered with the first cobalt tungsten phosphorous film 107 is generated on the surface of the wiring groove 103.

次に、上記半導体基板100を、塩酸によりpH=1に調整した塩化パラジウム溶液に浸漬する。パラジウムは銅およびコバルトよりもイオン化傾向が小さいため、配線溝103の表面に露出した銅およびコバルトと、溶液中のパラジウムイオンの置換めっき反応が生じ、第一のコバルトタングステンリン膜107の表面、及び、第一のコバルトタングステンリン膜に被覆されなかった部分の配線溝の表面108にパラジウム膜109が形成される(図1(g))。このとき、第一のコバルトタングステンリン膜107の表面及び第一のコバルトタングステンリン膜に被覆されなかった部分の配線溝の表面108の両方の上にパラジウム膜109を形成したが、第一のコバルトタングステンリン膜をマスクした状態で塩化パラジウム溶液に浸漬する等の方法で、少なくとも第一のコバルトタングステンリン膜に被覆されなかった部分の配線溝の表面108上に形成すればよい。   Next, the semiconductor substrate 100 is immersed in a palladium chloride solution adjusted to pH = 1 with hydrochloric acid. Since palladium has a smaller ionization tendency than copper and cobalt, a displacement plating reaction of copper and cobalt exposed on the surface of the wiring groove 103 and palladium ions in the solution occurs, and the surface of the first cobalt tungsten phosphorous film 107, and Then, the palladium film 109 is formed on the surface 108 of the wiring groove in the portion not covered with the first cobalt tungsten phosphorous film (FIG. 1G). At this time, the palladium film 109 was formed on both the surface of the first cobalt tungsten phosphorous film 107 and the surface 108 of the wiring trench that was not covered with the first cobalt tungsten phosphorous film. What is necessary is just to form on the surface 108 of the wiring groove | channel of the part which was not coat | covered with the 1st cobalt tungsten phosphorus film | membrane by the method of immersing in a palladium chloride solution in the state which masked the tungsten phosphorus film | membrane.

次に、無電解めっき法により、パラジウム膜109上に第二のコバルトタングステンリン膜110を堆積する。無電解めっき液の組成、および成膜の条件は、前記の第一のコバルトタングステンリン膜107を堆積した際に用いたものと同等である。第二のコバルトタングステンリン膜110の膜厚は、1〜10nmである。パラジウムの触媒活性は銅と比較して高いため、パラジウム膜109の上に均一に第二のコバルトタングステンリン膜110が形成され、配線溝の上に被覆性良くキャップ膜を形成することができる(図1(h))。また、配線が密な領域では、第一のコバルトタングステンリン膜107を介してパラジウム膜109が形成されるため、銅との合金が形成されず配線抵抗の上昇を抑制することができる。   Next, a second cobalt tungsten phosphorous film 110 is deposited on the palladium film 109 by electroless plating. The composition of the electroless plating solution and the film forming conditions are the same as those used when the first cobalt tungsten phosphorous film 107 was deposited. The film thickness of the second cobalt tungsten phosphorous film 110 is 1 to 10 nm. Since the catalytic activity of palladium is higher than that of copper, the second cobalt tungsten phosphorus film 110 is uniformly formed on the palladium film 109, and a cap film can be formed on the wiring groove with good coverage (see FIG. FIG. 1 (h)). Further, in the dense wiring region, the palladium film 109 is formed via the first cobalt tungsten phosphorous film 107, so that an alloy with copper is not formed, and an increase in wiring resistance can be suppressed.

以上の工程により、配線抵抗の上昇を抑制しながら、配線溝の表面に被覆性良くキャップ膜であるコバルトタングステンリン膜を形成した半導体装置が完成する。
本発明の実施形態によると、従来の触媒金属を用いた無電解めっき法を用いてコバルトタングステンリン膜を形成した場合でみられた10〜20%程度の配線抵抗上昇が、数パーセント程度に抑制することができ、かつ、従来の触媒金属を用いた無電解めっき法と同等の信頼性が得られる。
Through the above steps, a semiconductor device in which a cobalt tungsten phosphorous film, which is a cap film, is formed on the surface of the wiring groove with good coverage while suppressing an increase in wiring resistance is completed.
According to the embodiment of the present invention, an increase in wiring resistance of about 10 to 20% observed when a cobalt tungsten phosphorous film is formed using an electroless plating method using a conventional catalytic metal is suppressed to about several percent. And the same reliability as the electroless plating method using a conventional catalytic metal can be obtained.

なお、上記の実施形態では、触媒金属としてパラジウムを用いたが、触媒金属としては、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムなどの貴金属元素あるいはそれらの合金を用いてもよい。また、キャップ膜に関しても、上記の実施形態で用いたコバルトタングステンリン膜に限定されるものではなく、タングステン、リン、ホウ素から選ばれる少なくとも1種を含むコバルト合金またはニッケル合金でもかまわない。   In the above embodiment, palladium is used as the catalyst metal. However, as the catalyst metal, a noble metal element such as gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, or an alloy thereof may be used. . Further, the cap film is not limited to the cobalt tungsten phosphorous film used in the above embodiment, and may be a cobalt alloy or nickel alloy containing at least one selected from tungsten, phosphorous, and boron.

本発明は、配線抵抗の上昇を抑制しながら、配線溝の表面に被覆性良くキャップ膜を形成することができ、銅を含む金属配線上に銅の拡散を防止するためのキャップ膜が形成される半導体装置及びその製造方法等に有用である。   According to the present invention, a cap film can be formed on the surface of a wiring groove with good coverage while suppressing an increase in wiring resistance, and a cap film for preventing copper diffusion is formed on a metal wiring containing copper. This is useful for semiconductor devices and manufacturing methods thereof.

本発明の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図Process sectional drawing which shows the formation method of the cap film in the semiconductor device of this invention 従来技術1の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図Process sectional drawing which shows the formation method of the cap film in the semiconductor device of prior art 1 従来技術2の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図Process sectional drawing which shows the formation method of the cap film in the semiconductor device of the prior art 2

符号の説明Explanation of symbols

100 半導体基板
101 シリコン窒化膜
102 シリコン酸化膜
103 配線溝
104 Ta膜
105 Cu膜
106 銅
107 第一のコバルトタングステンリン膜
108 第一のコバルトタングステンリン膜に被覆されない部分
109 パラジウム膜
110 第二のコバルトタングステンリン膜
200 半導体基板
201 シリコン窒化膜
202 シリコン酸化膜
203 配線溝
204 Ta膜
205 Cu膜
206 銅
207 パラジウム膜
208 コバルトタングステンリン膜
300 半導体基板
301 シリコン窒化膜
302 シリコン酸化膜
303 配線溝
304 Ta膜
305 Cu膜
306 銅
307 コバルトタングステンリン膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Semiconductor substrate 101 Silicon nitride film 102 Silicon oxide film 103 Wiring groove 104 Ta film 105 Cu film 106 Copper 107 First cobalt tungsten phosphorus film 108 Part not covered with the first cobalt tungsten phosphorus film 109 Palladium film 110 Second cobalt Tungsten phosphorous film 200 Semiconductor substrate 201 Silicon nitride film 202 Silicon oxide film 203 Wiring groove 204 Ta film 205 Cu film 206 Copper 207 Palladium film 208 Cobalt tungsten phosphorous film 300 Semiconductor substrate 301 Silicon nitride film 302 Silicon oxide film 303 Wiring groove 304 Ta film 305 Cu film 306 Copper 307 Cobalt tungsten phosphorus film

Claims (10)

半導体素子が形成された半導体基板上に銅溝配線が形成される半導体装置であって、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上部の所定の位置に形成された溝に埋め込まれた銅または銅合金からなる金属配線と、
前記金属配線の第1の領域上に形成される第1の合金層と、
前記金属配線上の前記第1の領域外である第2の領域上に形成される触媒金属膜と、
前記触媒金属膜上に形成される第2の合金膜と
を有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device in which a copper trench wiring is formed on a semiconductor substrate on which a semiconductor element is formed,
An insulating film formed on the semiconductor substrate;
A metal wiring made of copper or a copper alloy embedded in a groove formed in a predetermined position on the insulating film;
A first alloy layer formed on the first region of the metal wiring;
A catalytic metal film formed on a second region outside the first region on the metal wiring;
And a second alloy film formed on the catalyst metal film.
前記第1の合金層上にも前記触媒金属膜及び前記第2の合金層とを形成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the catalytic metal film and the second alloy layer are also formed on the first alloy layer. 前記第1の合金層は、コバルト合金またはニッケル合金からなることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the first alloy layer is made of a cobalt alloy or a nickel alloy. 前記コバルト合金またはニッケル合金は、タングステン、リン、ホウ素のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項3記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the cobalt alloy or nickel alloy contains at least one of tungsten, phosphorus, and boron. 前記触媒金属膜は、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうちの少なくとも1つからなることを特徴とする請求項1または請求項2または請求項3または請求項4のいずれかに記載の半導体装置。   The catalyst metal film is made of at least one of gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, and osmium, according to claim 1, claim 2, claim 3, or claim 4. The semiconductor device according to any one of the above. 半導体素子が形成された半導体基板に銅溝配線が形成される半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上部の所定の位置に溝を形成する工程と、
前記溝に銅または銅合金を埋め込んで金属配線を形成する工程と、
前記金属配線の第1の領域上に無電解めっき法によって第1の合金層を形成する工程と、
前記金属配線上の前記第1の領域外である第2の領域上に置換めっき法によって触媒金属膜を形成する工程と、
前記触媒金属膜上に無電解めっき法によって第2の合金層を選択的に形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device in which a copper trench wiring is formed on a semiconductor substrate on which a semiconductor element is formed,
Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a groove at a predetermined position on the insulating film;
Forming a metal wiring by embedding copper or a copper alloy in the groove;
Forming a first alloy layer on the first region of the metal wiring by electroless plating;
Forming a catalytic metal film by displacement plating on a second region outside the first region on the metal wiring;
And a step of selectively forming a second alloy layer on the catalytic metal film by an electroless plating method.
前記触媒金属膜を形成する工程において、前記第1の合金層上にも前記触媒金属膜を形成することを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。   7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein in the step of forming the catalytic metal film, the catalytic metal film is also formed on the first alloy layer. 前記第1の合金層は、コバルト合金またはニッケル合金からなることを特徴とする請求項6または請求項7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the first alloy layer is made of a cobalt alloy or a nickel alloy. 前記コバルト合金またはニッケル合金は、タングステン、リン、ホウ素のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項6または請求項7または請求項8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the cobalt alloy or the nickel alloy includes at least one of tungsten, phosphorus, and boron. 上記触媒金属膜は、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうちの少なくとも1つからなることを特徴とする請求項6または請求項7または請求項8または請求項9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The catalyst metal film is made of at least one of gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, and osmium, according to claim 6, claim 7, claim 8, or claim 9. The manufacturing method of the semiconductor device in any one.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115744849A (en) * 2022-11-28 2023-03-07 无锡科技职业学院 Preparation method of cobalt phosphide based on tetrabutylphosphonium chloride

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