JP2008192753A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に、ダマシン配線を備えた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 and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device provided with damascene wiring and a manufacturing method thereof.
近年、半導体装置の微細化にともなって、低抵抗な配線を形成する技術が必要になっている。配線を低抵抗化する技術として、銅材を主材料としたダマシン配線の開発が広く行われている。しかし、半導体装置のさらなる微細化とともに、ダマシン配線においても、配線抵抗の上昇及び信頼性の低下が懸念されている。そのため、ダマシン配線上にコバルト−タングステン−リン(CoWP)膜等の金属キャップ層を選択成長させ、ダマシン配線の信頼性の向上するプロセスが提案されている(例えば、特許文献1〜3等参照。)。 In recent years, with the miniaturization of semiconductor devices, a technique for forming low-resistance wiring is required. As a technique for reducing resistance of wiring, development of damascene wiring using copper as a main material has been widely performed. However, along with further miniaturization of semiconductor devices, there are concerns about an increase in wiring resistance and a decrease in reliability in damascene wiring. Therefore, a process for selectively growing a metal cap layer such as a cobalt-tungsten-phosphorus (CoWP) film on the damascene wiring to improve the reliability of the damascene wiring has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 3). ).
以下、図2を参照しながら、上記金属キャップ層が形成されたダマシン配線を備える半導体装置の製造方法について説明する。まず、図2(A)に示すように、トランジスタ等の半導体素子が形成された半導体基板(図示せず)上に絶縁膜201が形成される。当該絶縁膜201に対して、公知のリソグラフィー法及びドライエッチング法を適用することにより凹部202が形成される。凹部202が形成された絶縁膜201上には、スパッタリング法等によりタンタル(Ta)等からなるバリア層203が形成される。
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device including a damascene wiring on which the metal cap layer is formed will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 2A, an
次に、図2(B)に示すように、バリア層203上にスパッタリング法等により銅からなるシード層204が形成される。続いて、図2(C)に示すように、シード層204を電極とした電解めっき法により、シード層204上に銅層205が形成される。このとき、凹部202の内部は、銅層205によって充填される。そして、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法により、図2(D)に示すように、凹部202以外に形成された絶縁膜201上の、銅層205、シード層204、及びバリア層203が除去される。
Next, as shown in FIG. 2B, a
その後、図2(E)に示すように、無電解めっき法により凹部202に充填された銅層205の上面にCoWP膜206が1nm〜20nm程度の膜厚で形成される。CoWP膜を無電解めっき法で成長させるためには、CoWP膜を成長させる部位に触媒層が必要となる。しかしながら、銅は触媒活性度が低いためCoWP膜を析出させる触媒層として十分に機能しない。このため、銅層205上にCoWP膜206を成長させるために、まず、パラジウム(Pd)膜等の触媒層が銅層205の上面に形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 2E, a
銅層205上にPd膜を形成するためには、置換めっきが使用される。例えば、塩化パラジウムの塩酸溶液中に、図2(D)に示す銅層205が形成された半導体基板を浸漬すると、溶液中に銅が溶解する。このとき、銅の溶解にともなって放出された電子は、銅よりもイオン化傾向が小さいパラジウムイオンに捕獲され、パラジウム原子が銅原子と置換される。このような置換は、銅層205の表面だけで発生する。したがって、銅層205の上面のみにPd膜が形成される。このようにして形成されたPd膜を触媒層として無電解めっきを実施することで、銅層205の上面のみにCoWP膜206を選択的に成長させることができる。
In order to form a Pd film on the
以上により、配線上面にCoWP膜206を備えた半導体装置を製造することができる。
しかしながら、CoWP膜206は銅層205に比べて抵抗が高いため、半導体装置のさらなる微細化にともなって、配線抵抗の上昇が顕在化している。また、配線の抵抗上昇にともなう発熱により、上述した構造の配線では、抵抗の高いCo原子が銅層205中へ拡散する。その拡散により、配線抵抗はさらに上昇する。この結果、ダマシン配線のストレスマイグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性が低下するという問題が発生する。
However, since the CoWP
また、上述の製造方法では、触媒層を置換めっきにより形成している。置換めっきでは、Cu原子が置換されること、及び塩酸溶液にCuが溶解することにより、配線の主材料であるCuの量が減少する。さらに、Cuの溶解が銅層205の粒界に沿って進行した場合、銅層205にボイドが形成されてしまう。このような現象も、配線のストレスマイグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性が低下する一因である。
In the above manufacturing method, the catalyst layer is formed by displacement plating. In displacement plating, the amount of Cu, which is the main material of the wiring, decreases due to substitution of Cu atoms and dissolution of Cu in a hydrochloric acid solution. Furthermore, when the dissolution of Cu proceeds along the grain boundary of the
本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、優れたストレスマイグレーション耐性及びエレクトロマイグレーション耐性を有するダマシン配線を備えた半導体装置及びその製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been proposed in view of the above-described conventional circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor device including a damascene wiring having excellent stress migration resistance and electromigration resistance and a method for manufacturing the same.
前記の目的を達成するため、本発明に係る半導体装置は、以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成された絶縁膜と、当該絶縁膜に埋め込まれた配線とを備える。また、配線の上面には、第1のキャップ層を備える。第1のキャップ層の膜厚は、1原子層よりも大きく10nm以下である。また、第1のキャップ層の上面に形成された、配線を構成する材料の拡散を防止する第2のキャップ層を備える。 In order to achieve the above object, the semiconductor device according to the present invention employs the following technical means. That is, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, an insulating film formed on the semiconductor substrate, and a wiring embedded in the insulating film. A first cap layer is provided on the upper surface of the wiring. The film thickness of the first cap layer is larger than one atomic layer and 10 nm or less. In addition, a second cap layer formed on the upper surface of the first cap layer is provided to prevent diffusion of the material constituting the wiring.
本構成によれば、第2のキャップ層を構成する材質が配線へ拡散することを第1のキャップ層により防止することができる。この結果、配線抵抗の上昇を抑制し、半導体装置の信頼性を向上させることができる。 According to this configuration, the first cap layer can prevent the material constituting the second cap layer from diffusing into the wiring. As a result, an increase in wiring resistance can be suppressed and the reliability of the semiconductor device can be improved.
上記構成において、配線はバリア層と配線層とを含む構成を採用することができる。これにより、配線層が絶縁膜中へ拡散することを防止することができる。また、配線は、バリア層と配線層との間にシード層をさらに備えてもよい。これにより、配線層とバリア層との密着性を向上させることができる。 In the above configuration, the wiring may employ a configuration including a barrier layer and a wiring layer. As a result, the wiring layer can be prevented from diffusing into the insulating film. The wiring may further include a seed layer between the barrier layer and the wiring layer. Thereby, the adhesiveness of a wiring layer and a barrier layer can be improved.
また、配線抵抗を小さくする観点では、第1のキャップ層は、第2のキャップ層よりも比抵抗が小さいことが好ましい。さらに、第1のキャップ層は第2のキャップ層よりも融点が高いことが好ましい。これにより、半導体装置が加熱された場合であっても、第2のキャップ層が配線へ拡散することを第1のキャップ層により防止できる。 Further, from the viewpoint of reducing the wiring resistance, it is preferable that the first cap layer has a lower specific resistance than the second cap layer. Furthermore, the first cap layer preferably has a higher melting point than the second cap layer. Thus, even when the semiconductor device is heated, the first cap layer can prevent the second cap layer from diffusing into the wiring.
一方、他の観点では、本発明は半導体装置の製造方法を提供することができる。すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法では、まず、半導体基板上に絶縁膜が形成される。次いで、絶縁膜に凹部が形成され、当該凹部に埋め込まれた配線が形成される。また、、配線の上面には、無電解めっきにより第1のキャップ層が形成される。そして、第1のキャップ層の上面には、無電解めっきにより第2のキャップ層が形成される。ここで、無電解めっきは、金属と還元剤を含んだ溶液を用いて、酸化還元反応により金属を析出させるめっき法を指す。 On the other hand, in another aspect, the present invention can provide a method for manufacturing a semiconductor device. That is, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, first, an insulating film is formed on a semiconductor substrate. Next, a recess is formed in the insulating film, and a wiring embedded in the recess is formed. In addition, a first cap layer is formed on the upper surface of the wiring by electroless plating. A second cap layer is formed on the upper surface of the first cap layer by electroless plating. Here, electroless plating refers to a plating method in which a metal is deposited by an oxidation-reduction reaction using a solution containing a metal and a reducing agent.
また、上記配線の形成は、以下のようにして行うことができる。まず、凹部が形成された絶縁膜上にバリア層が形成される。次いで、バリア層上に配線層が形成される。そして、上記凹部以外に形成された上記バリア層と上記配線層とが除去される。 The wiring can be formed as follows. First, a barrier layer is formed on the insulating film in which the recesses are formed. Next, a wiring layer is formed on the barrier layer. Then, the barrier layer and the wiring layer formed other than the recess are removed.
なお、配線層がめっき液へ溶解することを防止するため、第1のキャップ層を形成する無電解めっきに使用されるめっき液のpH値は、5〜12であることが好ましい。 In addition, in order to prevent a wiring layer from melt | dissolving in a plating solution, it is preferable that the pH value of the plating solution used for the electroless plating which forms a 1st cap layer is 5-12.
本発明によれば、配線上に、1原子層以上の膜厚を有する第1のキャップ層を介して、第2のキャップ層が形成されているため、第2のキャップ層と配線とが直接接触しない。このため、第2のキャップ層がCoWP膜等の高抵抗金属を含む膜であっても、その高抵抗金属が配線に拡散することを防止できる。したがって、配線抵抗の上昇を抑制することができる。この結果、エレクトロマイグレーション耐性及びストレスマイグレーション耐性を向上させるという格別の効果を奏することができる。 According to the present invention, since the second cap layer is formed on the wiring via the first cap layer having a thickness of one atomic layer or more, the second cap layer and the wiring are directly connected to each other. Do not touch. For this reason, even if the second cap layer is a film containing a high-resistance metal such as a CoWP film, the high-resistance metal can be prevented from diffusing into the wiring. Therefore, an increase in wiring resistance can be suppressed. As a result, it is possible to achieve a special effect of improving electromigration resistance and stress migration resistance.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態では、ダマシン法を用いた半導体装置の製造方法に適用した事例により、本発明を具体化している。図1は、本実施形態の半導体装置の製造過程を示す断面図である。なお、図1において、絶縁膜101よりも下層には、トランジスタ等の半導体素子が形成された半導体基板が存在しているが、本発明に直接関係するものではないためここでの説明は省略する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the present invention is embodied by an example applied to a semiconductor device manufacturing method using a damascene method. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment. In FIG. 1, there is a semiconductor substrate on which a semiconductor element such as a transistor is formed below the insulating
まず、図1(A)に示すように、半導体基板上に絶縁膜101が形成される。ここで絶縁膜101は、シリコン(Si)及び炭素(C)あるいは酸素(O)あるいは窒素(N)などで構成される物質(SiC、SiO2、SiN、SiOC、SiON等)からなる。次に、公知のリソグラフィー法及びドライエッチング法を絶縁膜101対して適用することにより、絶縁膜101の表面部に凹部102が形成される。凹部102が形成された絶縁膜101上には、スパッタリング法を用いてTaからなる膜厚が20nm程度のバリア層103が形成される。ここでの成膜条件は、ターゲットバイアス30kW、基板バイアス300W、Arガス流量8sccmである。本実施形態では、バリア層103としてTa膜を使用しているが、チタン(Ti)、タングステン(W)、ルテニウム(Ru)などの高融点金属や、これらにN、C、Siがドープされた材質からなる膜を使用することもできる。また、バリア層103は、これらの積層膜であってもよい。また、本実施形態では、バリア層103をスパッタリング法を用いて形成したが、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等を用いて形成してもよい。
First, as shown in FIG. 1A, an insulating
次いで、図1(B)に示すように、バリア層103上に、スパッタリング法を用いて銅(Cu)からなる膜厚が40nm程度のシード層104が形成される。ここでの成膜条件はターゲットバイアス40kW、基板バイアス600Wである。本実施形態では、シード層104としてCu膜を使用しているが、Ruや白金(Pt)等、次工程において、電解めっきの電極として機能できる材質であれば任意の導体膜を使用することができる。また、シード層104を構成する導体膜には、アルミニウム(Al)、錫(Sn)、マンガン(Mn)、Tiなどの金属がドープされていてもよい。さらに、シード層104は、スパッタリング法に限らず、CVD法によって形成することもできる。
Next, as shown in FIG. 1B, a
続いて、次に図1(C)に示すように、シード層104上に、電解めっき法により膜厚が1000nm程度の銅層105が形成される。ここでは、シード層104が形成された半導体基板を、硫酸銅溶液内に浸漬し、シード層104に電流を供給することにより、銅層105(配線層)を形成している。当該電界めっきにより、凹部102の内部は、銅層105で充填される。なお、めっき液は硫酸銅を主成分とするめっき液であり、Cu濃度10〜40g/L、硫酸濃度10〜200g/Lである。めっき液温度は室温であり、シード層104に供給する電流の電流密度は5〜50mA/mm2程度である。
Subsequently, as shown in FIG. 1C, a
銅層105の形成が完了すると、図1(D)に示すように、凹部102以外に形成された絶縁膜101上の銅層105、シード層104、及びバリア層103がCMP法により除去される。絶縁膜101上のバリア層103が除去された後、半導体基板をN2雰囲気中で酸性溶液にて洗浄する。ここでは、N2雰囲気で洗浄しているが、F2やO2などの高反応性ガスを含まない雰囲気であればよい。例えば、HeやAr等の不活性ガス雰囲気で洗浄を行ってもよい。
When the formation of the
次に、図1(E)に示すように、凹部102に埋め込まれた銅層105上に無電解めっき法により第1のキャップ層106が形成される。本実施形態では、第1のキャップ層106を形成する無電解めっきは、上記酸性溶液による洗浄と同じ雰囲気中で行われる。例えば、当該雰囲気中で、基板中心を回転軸として周方向に回転する半導体基板の中心に、40℃〜95℃のめっき液が供給される。ここでは、塩化パラジウム0.01mol/dm3、エチレンジアミン0.08mol/dm3、ホスフィン酸ナトリウム0.06mol/dm3、チオジグリコール酸30mg/dm3を含むめっき液を使用している。なお、銅層105がめっき液へ溶解することを防止するため、めっき液のpH値は、5〜12の範囲であることが好ましく、6〜10の範囲であることがより好ましい。また、めっき液を供給する際の半導体基板の回転数は5rpm程度でよい。これにより、酸化還元反応により銅層105上にPd膜が析出し、第1のキャップ層106が形成される。
Next, as shown in FIG. 1E, a
当該第1のキャップ層106は、以降の工程で第1のキャップ層106上に形成される第2のキャップ層107の構成材料が、銅層105中に拡散することを防止する機能を有する。本実施形態では、置換めっき法ではなく、無電解めっき法により第1のキャップ層106を形成している。このため、第1のキャップ層106の膜厚を1原子層以上にすることができる。
The
置換めっき法では、銅層105の表面に存在するCu原子がPd原子に置換される。このため、表面に露出していないCu原子は置換されない。また、置換めっきでは、表面に露出しているCu原子が全て置換されるわけではなく、その一部が置換されるに過ぎない。例えば、Cu原子100個あたり1個のCu原子がPd原子に置換される程度である。したがって、置換めっき法で形成された第1のキャップ層106の膜厚は1原子層に満たず、第2のキャップ層107を構成する材料が銅層105へ拡散することを防止することができない。
In the displacement plating method, Cu atoms present on the surface of the
これに対し、本実施形態では、第1のキャップ層106を1原子層以上の膜厚で形成することができるため、第2のキャップ層107を構成する材料が銅層105へ拡散することを防止することができる。また、無電解めっきでは、置換めっきのように、Cu原子が置換されて、配線のCu量が減少することもない。なお、第1のキャップ層106の膜厚は、10nm以下であることが好ましい。これは、第1のキャップ層106の膜厚が10nmを超えると、第1のキャップ層106を形成する工程で、絶縁膜101上に無電解めっき膜が意図せず成長する可能性が増大し、隣接する配線間のショートが発生しやすくなるからである。
On the other hand, in this embodiment, since the
続いて、図1(F)に示すように、第1のキャップ層106上に、無電解めっき法により、CoWP膜からなる第2のキャップ層107が1〜20nm程度の膜厚で形成される。ここで、第2のキャップ層107は、配線(ここでは、銅層105)を構成する材料の拡散を防止する。なお、CoWP膜の形成には、例えば、硫酸コバルト、次亜リン酸ナトリウム、タングステン酸ナトリウムを主成分とし、キレート剤や有機酸などの添加剤を含むめっき液によりCoWPを成膜することができる。成膜温度は、例えば、40〜95℃程度にすればよい。
Subsequently, as shown in FIG. 1F, a
なお、本実施形態では、第1のキャップ層106として、Pd膜を使用したが、他の材料を使用することもできる。配線抵抗の上昇を抑制する観点では、第2のキャップ層107を構成する高抵抗金属(ここでは、Co)よりも比抵抗の低い材料を使用することができる。例えば、Coよりも比抵抗の低いAu、Ag、Moなどを使用することができる。また、加熱環境下において、第2のキャップ層107を構成する材料の銅層105への拡散を防止する観点では、第2のキャップ層107を構成する高抵抗金属(ここでは、Co)よりも融点の高い材料を使用することができる。例えば、Coよりも融点の高いPt、Pdなどを使用することができる。
In the present embodiment, a Pd film is used as the
以上のようにして配線が形成されると、半導体基板の全面に絶縁膜が形成される。そして、上層の配線を形成する場合には、上述した手順が繰り返し実施される。 When the wiring is formed as described above, an insulating film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate. When forming the upper layer wiring, the above-described procedure is repeatedly performed.
以上の工程により形成された銅配線では、第2のキャップ層107からなる高抵抗金属が銅配線に直接接触することがない。このため、Cu配線中へCoが拡散することを防止することができる。この結果、配線抵抗の上昇が抑制される。そして、配線抵抗の上昇が抑制される結果、優れたストレスマイグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性を有する半導体装置を製造することができる。
In the copper wiring formed by the above steps, the high resistance metal made of the
以上説明したように、本発明によれば、CoWP膜等からなる第2のキャップ層を構成する高抵抗金属が配線へ拡散することを防止することができる。このため、配線抵抗の上層を抑制することができる。この結果、優れたストレスマイグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性を有する半導体装置を製造することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to prevent the high-resistance metal constituting the second cap layer made of a CoWP film or the like from diffusing into the wiring. For this reason, the upper layer of wiring resistance can be suppressed. As a result, a semiconductor device having excellent stress migration resistance and electromigration resistance can be manufactured.
なお、以上で説明した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態では、配線が、銅層、シード層、及びバリア層を備える事例を説明したが、シード層及びバリア層は本発明に必須の要素ではなく、配線が上述の構造に限定されるものではない。また、上記では、第2のキャップ層の材質が、CoWPである事例を説明したが、第2のキャップ層は、銅の拡散防止機能を有する金属膜であればよい。例えば、第2のキャップ層は、コバルトやニッケルにタンクステンやモリブデンを添加した合金等により形成することができる。 The embodiments described above do not limit the technical scope of the present invention, and various modifications and applications can be made within the scope of the present invention other than those already described. For example, in the above embodiment, an example in which the wiring includes a copper layer, a seed layer, and a barrier layer has been described. However, the seed layer and the barrier layer are not essential elements of the present invention, and the wiring is limited to the above-described structure. It is not something. In the above description, the case where the material of the second cap layer is CoWP has been described. However, the second cap layer may be a metal film having a copper diffusion prevention function. For example, the second cap layer can be formed of an alloy in which tank stainless or molybdenum is added to cobalt or nickel.
本発明は、配線のストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性を向上できるという効果を有し、半導体装置及び半導体装置の製造方法として有用である。 The present invention has the effect of improving the stress migration resistance and electromigration resistance of wiring, and is useful as a semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device.
101 絶縁膜
102 凹部
103 バリア層
104 シード層
105 銅層(配線層)
106 第1のキャップ層(Pd膜)
107 第2のキャップ層(CoWP膜)
101
106 First cap layer (Pd film)
107 Second cap layer (CoWP film)
Claims (8)
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に埋め込まれた配線と、
前記配線の上面に形成された、膜厚が1原子層よりも大きく10nm以下である第1のキャップ層と、
前記第1のキャップ層の上面に形成された、前記配線を構成する材料の拡散を防止する第2のキャップ層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate;
Wiring embedded in the insulating film;
A first cap layer formed on the upper surface of the wiring and having a thickness of greater than one atomic layer and not greater than 10 nm;
A second cap layer formed on an upper surface of the first cap layer and preventing diffusion of a material constituting the wiring;
A semiconductor device comprising:
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部に埋め込まれた配線を形成する工程と、
前記配線の上面に、無電解めっきにより第1のキャップ層を形成する工程と、
前記第1のキャップ層の上面に無電解めっきにより、前記配線を構成する材料の拡散を防止する第2のキャップ層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a recess in the insulating film;
Forming a wiring embedded in the recess;
Forming a first cap layer on the upper surface of the wiring by electroless plating;
Forming a second cap layer for preventing diffusion of the material constituting the wiring by electroless plating on the upper surface of the first cap layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記凹部が形成された絶縁膜上にバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上に配線層を形成する工程と、
前記凹部以外に形成された前記バリア層と前記配線層とを除去する工程と、
を含む請求項6記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the wiring includes
Forming a barrier layer on the insulating film in which the recess is formed;
Forming a wiring layer on the barrier layer;
Removing the barrier layer and the wiring layer formed other than the recess;
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6.
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