JP2008249632A - Evaluation method for wiring, and manufacturing method for semiconductor device - Google Patents

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Michie Sunayama
理江 砂山
Noriyoshi Shimizu
紀嘉 清水
Masafumi Nakaishi
雅文 中石
Masanori Terahara
政徳 寺原
Hiroshi Iwata
浩 岩田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain knowledge regarding impurity concentration that closely approximates that in actual wiring structure, by measuring precisely the impurity concentration in a wiring conductive material, under a condition approximating the actual wiring structure, using a sample of relatively simple constitution, and to make the knowledge reflect on actual wiring formation. <P>SOLUTION: A wiring groove 1a is formed in a silicon substrate 1, the wiring groove 1a is embedded by the wiring conductive material 3 to form wiring-like structure 4, and the sample 11 is prepared. The wiring conductive material 3 of the wiring-like structure 4 is subjected to SIMS-analysis by a SIMS method, by using the sample 11. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置における配線中の不純物濃度を評価する方法、及び当該評価方法を用いた半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for evaluating an impurity concentration in wiring in a semiconductor device, and a method for manufacturing a semiconductor device using the evaluation method.

近年、半導体装置、例えばCMOS−LSIに用いられる配線構造には、配線抵抗が低く、エレクトロマイグレーション(EM) 耐性及びストレスマイグレーション(SIV)耐性が高い銅(Cu)配線が採用されている。   In recent years, copper (Cu) wiring having low wiring resistance, high electromigration (EM) resistance, and high stress migration (SIV) resistance has been adopted for a wiring structure used in a semiconductor device, for example, a CMOS-LSI.

Cu配線は従来のAl配線とは異なり、ドライエッチングによる加工が困難である。そこでCu配線を形成するには、層間絶縁膜に、配線と接続するためのビア部を形成した後、配線を形成するための配線溝を層間絶縁膜に形成し、配線溝内にCuを埋め込む(シングル)ダマシン法や、ビア部を形成するためのビア孔内及び配線溝内を同時にCuで埋め込むデュアルダマシン法が適用されている。ここで、配線の成膜には、量産性及び製造コストの面から一般的に電解銅めっき法が採用されている。   Unlike conventional Al wiring, Cu wiring is difficult to process by dry etching. Therefore, in order to form a Cu wiring, after forming a via portion for connecting to the wiring in the interlayer insulating film, a wiring groove for forming the wiring is formed in the interlayer insulating film, and Cu is embedded in the wiring groove. A (single) damascene method and a dual damascene method in which a via hole and a wiring groove for forming a via portion are simultaneously filled with Cu are applied. Here, an electrolytic copper plating method is generally employed for film formation of the wiring from the viewpoint of mass productivity and manufacturing cost.

ダマシン法の電解銅めっき膜には、O,C,S,Cl,N等の不純物が混入しており、これら配線中の不純物の存在が、EM耐性やSIV耐性等を低下させる主因の一つであることが知られている(例えば、非特許文献1,2を参照)。
一般的なCu/Ta(TaN)配線構造(Ta(TaN)はCuの下地膜)における銅配線形成プロセスにおいては、EM耐性とSIV耐性とがトレードオフの関係にあるが、SIVの発生は主に配線を幅広に形成することに起因することが報告されている。従って、配線中の不純物濃度を把握し、更には配線幅の調節により不純物濃度を制御することが望まれる。
Impurities such as O, C, S, Cl, and N are mixed in the electrolytic copper plating film of the damascene method, and the presence of impurities in these wirings is one of the main causes of reducing EM resistance, SIV resistance, and the like. (For example, see Non-Patent Documents 1 and 2).
In a copper wiring formation process in a general Cu / Ta (TaN) wiring structure (Ta (TaN) is a Cu base film), EM resistance and SIV resistance are in a trade-off relationship, but SIV is mainly generated. It has been reported that this is caused by the wide formation of wiring. Therefore, it is desired to grasp the impurity concentration in the wiring and further control the impurity concentration by adjusting the wiring width.

特開平11−23497号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-23497 Influence. of. Copper Purity on Microstructure and Electromigration. B. Alers, et al. (IEEE 2004)Influence. Of. Copper Purity on Microstructure and Electromigration. B. Alers, et al. (IEEE 2004) Design of ECP Additive for 65 nm-node Technology Cu BEOL Reliability , H. Shih, et al., (ITC 2005)Design of ECP Additive for 65 nm-node Technology Cu BEOL Reliability, H. Shih, et al., (ITC 2005)

一般的に、Cu配線導電材料の不純物濃度の評価は、試料として、基板の平坦部分の上や平坦な基板上にCu配線に見立ててCuを成膜したものを用いて、二次イオン質量分析法(SIMS)により行われる。   In general, the impurity concentration of a Cu wiring conductive material is evaluated by using a sample obtained by forming a Cu film on a flat portion of a substrate or a Cu substrate on a flat substrate as a sample. By the law (SIMS).

これは以下の理由による。層間絶縁膜にダマシン法で形成した配線を有する、実際の配線構造と同等に形成された試料を用い、これをSIMS法で分析した場合、配線幅に比べて測定のビーム径がかなり大きいために、SIMS法により配線導電材料以外の絶縁膜材料等が二次イオンに混入する。絶縁膜材料には、分析対象である不純物と同一の元素が含まれるため、分析結果には当該元素の影響が反映されてしまう。従って、配線中の不純物濃度を精度良く分析することが著しく困難であるため、上記の試料が用いられている。   This is due to the following reason. When using a sample that has wiring formed in the interlayer insulating film by the damascene method and is equivalent to the actual wiring structure and analyzed by the SIMS method, the measurement beam diameter is considerably larger than the wiring width. The insulating film material other than the wiring conductive material is mixed into the secondary ions by the SIMS method. Since the insulating film material contains the same element as the impurity to be analyzed, the influence of the element is reflected in the analysis result. Therefore, since it is extremely difficult to analyze the impurity concentration in the wiring with high accuracy, the above sample is used.

しかしながら、上記のようにCu配線に見立ててCuを成膜した試料を用いてSIMS法で分析した場合、その不純物濃度の情報は、当該試料が実際の配線構造とは成膜様式が異なるために、実際のCu配線の不純物濃度とは異なるという問題がある。現在のところ、実際のCu配線の不純物濃度を可及的に正確に分析する手法は報告されておらず、暗中模索の現況にある。   However, when analyzed by the SIMS method using a sample in which Cu is formed as a Cu wiring as described above, the impurity concentration information indicates that the sample is different in film formation mode from the actual wiring structure. There is a problem that it is different from the actual impurity concentration of Cu wiring. At present, no method for analyzing the impurity concentration of the actual Cu wiring as accurately as possible has been reported, and the current search for darkness is in progress.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な構成の試料を用いて、実際の配線構造に近似する状況で配線導電材料の不純物濃度を精度良く測定し、実際の配線構造に極めて近い不純物濃度の知見を得ることを可能とし、更には当該知見を用いて、配線中の不純物濃度を低減化し、EM耐性及びSIV耐性に優れた信頼性の高い半導体装置を製造することを可能とする、配線の評価方法及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems. Using a sample with a relatively simple configuration, the impurity concentration of the wiring conductive material is accurately measured in a situation that approximates the actual wiring structure, and the actual It is possible to obtain knowledge of the impurity concentration very close to the wiring structure, and further use this knowledge to reduce the impurity concentration in the wiring and manufacture a highly reliable semiconductor device having excellent EM resistance and SIV resistance. An object of the present invention is to provide a method for evaluating wiring and a method for manufacturing a semiconductor device, which makes it possible.

本発明の配線の評価方法は、シリコン基板の表面を加工して溝を形成する工程と、前記溝内に導電材料を埋め込み、配線様構造を形成する工程と、前記配線様構造が形成された前記シリコン基板を試料として、前記配線様構造の前記配線導電材料内に存する不純物の濃度を分析する工程とを含む。   The wiring evaluation method of the present invention includes a step of processing a surface of a silicon substrate to form a groove, a step of embedding a conductive material in the groove to form a wiring-like structure, and the wiring-like structure is formed. And analyzing the concentration of impurities present in the wiring conductive material of the wiring-like structure using the silicon substrate as a sample.

本発明の半導体装置の製造方法は、第1のシリコン基板の表面を加工して溝を形成する工程と、塩素元素を含有する第1の硫酸銅めっき液を用いて、前記溝内に導電材料を埋め込み、配線様構造を形成する第1の電解めっき工程と、前記配線様構造が形成された前記第1のシリコン基板を試料として、前記配線様構造の前記導電材料内に存する不純物の濃度を分析する工程と、第2のシリコン基板上に形成された絶縁膜を加工して配線溝を形成する工程と、塩素元素を含有する第2の硫酸銅めっき液を用いて、前記配線溝内に前記導電材料を埋め込み、配線構造を形成する第2の電解めっき工程とを含み、前記第2の硫酸銅めっき液中の塩素濃度は、前記分析結果に基づき制御される。   The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a groove by processing the surface of a first silicon substrate, and a conductive material in the groove using a first copper sulfate plating solution containing a chlorine element. And using the first silicon substrate on which the wiring-like structure is formed as a sample, the concentration of impurities present in the conductive material of the wiring-like structure is determined. Analyzing the insulating film formed on the second silicon substrate to form a wiring groove, and using the second copper sulfate plating solution containing chlorine element in the wiring groove. A second electrolytic plating step of embedding the conductive material to form a wiring structure, and the chlorine concentration in the second copper sulfate plating solution is controlled based on the analysis result.

本発明によれば、比較的簡易な構成の試料を用いて、実際の配線構造に近似する状況で配線導電材料の不純物濃度を精度良く測定し、実際の配線構造に極めて近い不純物濃度の知見を得ることが可能となる。更には、当該知見を用いて、配線中の不純物濃度を低減化し、EM耐性及びSIV耐性に優れた信頼性の高い半導体装置を製造することが可能となる。   According to the present invention, using a sample with a relatively simple configuration, the impurity concentration of the wiring conductive material is accurately measured in a situation that approximates the actual wiring structure, and knowledge of the impurity concentration very close to the actual wiring structure is obtained. Can be obtained. Furthermore, by using the knowledge, it is possible to reduce the impurity concentration in the wiring and manufacture a highly reliable semiconductor device having excellent EM resistance and SIV resistance.

−本発明の基本骨子−
本発明者は、実際の配線構造に近似する状況で、配線導電材料の不純物濃度を精度良く測定する技術を確立すべく鋭意検討した結果、本発明に想到した。
本発明では、一般的に半導体基板として汎用されている単結晶のシリコン基板を用い、このシリコン基板を実際の配線構造の配線溝を形成する層間絶縁膜に見立て、シリコン基板に配線溝を形成し、例えば下地導電膜を介して配線導電材料を埋め込み、実際の配線構造の形態に近い配線様構造を形成する。
-Basic outline of the present invention-
The inventor of the present invention has arrived at the present invention as a result of intensive studies to establish a technique for accurately measuring the impurity concentration of a wiring conductive material in a situation that approximates an actual wiring structure.
In the present invention, a single crystal silicon substrate generally used as a semiconductor substrate is used, and this silicon substrate is regarded as an interlayer insulating film for forming a wiring groove of an actual wiring structure, and the wiring groove is formed in the silicon substrate. For example, a wiring conductive material is embedded through a base conductive film to form a wiring-like structure close to the actual wiring structure.

シリコン基板は、微細なエッチング加工が比較的容易であり、微細幅の配線溝でも容易且つ正確に形成することができる。しかも、層間絶縁膜と異なり、配線の不純物と同一の元素を含有しておらず、SIMS法による配線導電材料の分析の際に、測定される不純物濃度への影響はない。   A silicon substrate is relatively easy to perform fine etching, and can be easily and accurately formed even with a fine width wiring groove. Moreover, unlike the interlayer insulating film, it does not contain the same element as the wiring impurities, and does not affect the measured impurity concentration when analyzing the wiring conductive material by the SIMS method.

従って、シリコン基板に配線溝及び配線様構造を形成してなる試料を用いて、配線様構造をスパッタし、配線様構造から飛散する元素により、配線様構造の配線導電材料内に存する不純物の濃度を分析する。例えばSIMS法を用いて配線導電材料の分析を行なうことにより、実際の配線構造に近似する状況で配線導電材料の不純物濃度を精度良く測定し、実際の配線構造に極めて近い不純物濃度の知見を得ることができる。   Therefore, using a sample in which a wiring trench and a wiring-like structure are formed on a silicon substrate, the wiring-like structure is sputtered, and the concentration of impurities present in the wiring conductive material of the wiring-like structure due to the elements scattered from the wiring-like structure. Analyze. For example, by analyzing the wiring conductive material using the SIMS method, the impurity concentration of the wiring conductive material is accurately measured in a situation that approximates the actual wiring structure, and knowledge of the impurity concentration extremely close to the actual wiring structure is obtained. be able to.

ここで、実際の配線構造において、層間絶縁膜の配線溝に配線を形成した後、グレインサイズを大きくして更なる抵抗低減化を図るべく、配線構造にアニール処理を施すことが多い。しかしながら、実際の配線構造と同様に、アニール処理により配線導電材料中で熱拡散した不純物の情報を得るべく、上記の配線様構造を有する試料をアニール処理すると、シリコン基板と下地導電膜とが反応して配線様構造が崩壊する懸念がある。   Here, in an actual wiring structure, after the wiring is formed in the wiring groove of the interlayer insulating film, the wiring structure is often annealed in order to increase the grain size and further reduce the resistance. However, as with the actual wiring structure, if a sample having the above wiring-like structure is annealed to obtain information on the impurities thermally diffused in the wiring conductive material by annealing, the silicon substrate and the underlying conductive film react. There is a concern that the wiring-like structure will collapse.

そこで本発明では、所定のアニール条件、例えば150℃以上350℃以下の範囲内の温度、及び90秒間以上180秒間以下の処理時間のような比較的高温で長時間のアニール条件でアニール処理を行なう場合には、シリコン基板の配線溝の表面と下地導電膜との間に、上記の熱反応を防止するための保護膜、例えばSiN膜又はSiC膜を形成する。
但しこの場合、保護膜中で分析する不純物と同一の元素、例えばSiN膜を用いた場合にはNを、SiC膜を用いた場合にはCを、分析する不純物の対象から除外する必要がある。
Therefore, in the present invention, annealing is performed under a predetermined annealing condition, for example, a temperature within a range of 150 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, and a relatively high temperature annealing condition such as a processing time of 90 seconds or longer and 180 seconds or shorter. In this case, a protective film for preventing the thermal reaction, for example, a SiN film or a SiC film is formed between the surface of the wiring groove of the silicon substrate and the underlying conductive film.
However, in this case, it is necessary to exclude the same element as the impurity to be analyzed in the protective film, for example, N when the SiN film is used, and C when the SiC film is used, from the impurity to be analyzed. .

更に本発明では、上記の試料を用いた分析で得られた各種の不純物濃度の知見を、実際の配線構造の形成に適用する。即ち、上記の分析の結果に基づき、配線導電材料を調節、具体的には、配線導電材料中の前記不純物の割合を低減させる成分条件に配線導電材料を調節して、実際の配線構造を形成する。
この構成を採ることにより、配線中の不純物濃度を低減化した信頼性の高い半導体装置が実現する。
Furthermore, in the present invention, knowledge of various impurity concentrations obtained by the analysis using the above sample is applied to the formation of an actual wiring structure. That is, based on the results of the above analysis, the wiring conductive material is adjusted, specifically, the wiring conductive material is adjusted to the component condition that reduces the ratio of the impurities in the wiring conductive material, thereby forming an actual wiring structure. To do.
By adopting this configuration, a highly reliable semiconductor device in which the impurity concentration in the wiring is reduced is realized.

なお、特許文献1には、シリコン基板に形成した窪みを形成し、当該窪み内に周囲に対して凹状となるように測定対象物を設け(即ち、特許文献1の図1等に明示されているように、測定対象物は窪みを埋め込まないように、測定対象物の表面がシリコン基板の表面よりも低くされる。)、測定対象物に対して斜め方向から一次イオンを照射してSIMS測定を行なう技術が開示されている。しかしながら、特許文献1の発明は、測定対象領域が周囲に比べて凹とされている場合に、優れた分解能でSIMS測定を行なうべくなされたものであって、測定対象物の特定が皆無であることに加え、窪み形状も当然に一次イオンのビーム径よりも大きい矩形状のものが図示されている。本発明は、ダマシン配線の不純物を正確に特定することを目的とするものであり、スパッタ領域のサイズ、例えばSIMS法では一次イオンのビーム径よりも著しく小さい幅の配線様構造が分析対象であり、しかもシリコン基板の配線溝を充填するように配線様構造を形成するのであって、周囲に比べて凹とされるものでもない。このように本発明は、特許文献1の発明とは目的及び構成が大きく異なる全くの別発明である。   In Patent Document 1, a recess formed in a silicon substrate is formed, and a measurement object is provided in the recess so as to be concave with respect to the surroundings (that is, clearly shown in FIG. 1 of Patent Document 1). As shown, the surface of the object to be measured is made lower than the surface of the silicon substrate so as not to embed the depression.), The SIMS measurement is performed by irradiating the object with primary ions from an oblique direction. Techniques to perform are disclosed. However, the invention of Patent Document 1 is intended to perform SIMS measurement with excellent resolution when the measurement target region is concave compared to the surroundings, and there is no specification of the measurement target. In addition, the hollow shape is naturally shown in a rectangular shape larger than the primary ion beam diameter. The object of the present invention is to accurately identify the impurities of the damascene wiring, and the size of the sputter region, for example, a wiring-like structure whose width is significantly smaller than the beam diameter of the primary ions in the SIMS method is an object of analysis. Moreover, the wiring-like structure is formed so as to fill the wiring groove of the silicon substrate, and is not recessed compared to the surroundings. As described above, the present invention is a completely different invention that is significantly different in object and configuration from the invention of Patent Document 1.

−本発明を適用した具体的な諸実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
-Specific embodiments to which the present invention is applied-
Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
本実施形態では、配線の評価方法を開示する。以下、試料の作製方法、及び当該試料を用いた評価方法について順次説明する。
(First embodiment)
In the present embodiment, a wiring evaluation method is disclosed. Hereinafter, a method for manufacturing a sample and an evaluation method using the sample will be sequentially described.

[試料の作製方法]
図1は、第1の実施形態による配線の評価方法に用いる試料の作製方法について、工程順に示す概略断面図である。
先ず図1(a),(b)に示すように、シリコン基板1に配線溝1aを形成する。
詳細には、単結晶のシリコン基板1の表面をパターニングし、配線形状の配線溝1aを形成する。
[Sample preparation method]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a sample manufacturing method used in the wiring evaluation method according to the first embodiment in the order of steps.
First, as shown in FIGS. 1A and 1B, a wiring groove 1 a is formed in the silicon substrate 1.
More specifically, the surface of the single crystal silicon substrate 1 is patterned to form wiring-shaped wiring grooves 1a.

続いて、図1(c)に示すように、バリアメタル層2a及びシード層2bを順次形成する。
詳細には、シリコン基板1上に配線溝1aの内壁面を覆うように、例えばスパッタ法により、下地導電膜としてTaからなるバリアメタル層2aと、シード層2bとを順次堆積する。ここでは、バリアメタル層2aを膜厚20nm〜30nm程度に、シード層2bを膜厚40nm〜80nm程度にそれぞれ形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 1C, a barrier metal layer 2a and a seed layer 2b are sequentially formed.
Specifically, a barrier metal layer 2a made of Ta as a base conductive film and a seed layer 2b are sequentially deposited on the silicon substrate 1 by, for example, sputtering so as to cover the inner wall surface of the wiring groove 1a. Here, the barrier metal layer 2a is formed to a thickness of about 20 nm to 30 nm, and the seed layer 2b is formed to a thickness of about 40 nm to 80 nm.

続いて、図1(d)に示すように、配線溝1aを配線導電材料3で埋め込む配線様構造4を形成する。
詳細には、シード層2b上に、配線溝1aを埋め込むように配線導電材料3を堆積する。配線導電材料3としては、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、及びマンガン(Mn)からなる群から選ばれた1種、又は前記群から選ばれた少なくとも2種の合金を含むものであり、ここでは例えばCuとする。この場合、シード層2bも同様にCuを材料として形成されており、Cuの堆積によりシード層2bと配線導電材料3とが一体化する。また、配線導電材料3の堆積法としては、物理気相成長(PVD)法、化学気相蒸着(CVD)法、原子層堆積(ALD)法、超臨界堆積法、電解めっき法、無電解めっき法のうちの少なくとも1種の方法で行なう。
Subsequently, as shown in FIG. 1 (d), a wiring-like structure 4 in which the wiring groove 1 a is embedded with the wiring conductive material 3 is formed.
Specifically, the wiring conductive material 3 is deposited on the seed layer 2b so as to fill the wiring groove 1a. The wiring conductive material 3 is selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), and manganese (Mn), or the group In this example, Cu is used. In this case, the seed layer 2b is similarly formed using Cu as a material, and the seed layer 2b and the wiring conductive material 3 are integrated by the deposition of Cu. The wiring conductive material 3 is deposited by physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), supercritical deposition, electrolytic plating, electroless plating. This is done by at least one of the methods.

そして、配線導電材料3の表層を例えば化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)法により研磨し、表面を平坦化する。これにより、配線溝1aをバリアメタル層2aを介して配線導電材料3で埋め込んでなる配線様構造4が形成され、試料11が完成する。   Then, the surface layer of the wiring conductive material 3 is polished by, for example, a chemical mechanical polishing (CMP) method to flatten the surface. As a result, a wiring-like structure 4 is formed by filling the wiring trench 1a with the wiring conductive material 3 via the barrier metal layer 2a, and the sample 11 is completed.

ここで、本実施形態による配線の評価方法に用いる試料の作製方法の他の例について説明する。
実際の配線構造では、層間絶縁膜の配線溝に配線を形成した後、グレインサイズを大きくして更なる抵抗低減化を図るべく、配線構造にアニール処理を施すことが多い。本例では、このアニール処理を、配線様構造を崩壊させることなく行なうべく、保護膜を形成する。
Here, another example of a method for preparing a sample used in the wiring evaluation method according to the present embodiment will be described.
In an actual wiring structure, after the wiring is formed in the wiring groove of the interlayer insulating film, the wiring structure is often annealed in order to increase the grain size and further reduce the resistance. In this example, a protective film is formed in order to perform this annealing without destroying the wiring-like structure.

図2は、本実施形態による配線の評価方法に用いる試料の作製方法の他の例について、主要工程を示す概略断面図である。
先ず、図1(a),(b)と同様に、シリコン基板1に配線溝1aを形成する。
詳細には、単結晶のシリコン基板1の表面をパターニングし、配線形状の配線溝1aを形成する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing main steps in another example of a method for preparing a sample used in the wiring evaluation method according to the present embodiment.
First, as in FIGS. 1A and 1B, a wiring groove 1a is formed in the silicon substrate 1. FIG.
More specifically, the surface of the single crystal silicon substrate 1 is patterned to form wiring-shaped wiring grooves 1a.

続いて、図2(a)に示すように、保護膜5を形成する。
詳細には、シリコン基板1上に配線溝1aの内壁面を覆うように、例えばスパッタ法により、保護膜5としてSiN膜又はSiC膜を、例えば膜厚10nm〜30nm程度に形成する。
なお、保護膜5中で分析する不純物と同一の元素、例えばSiN膜を用いた場合にはNを、SiC膜を用いた場合にはCを、後述するようにSIMS法で分析する不純物の対象から除外する必要がある。
Subsequently, as shown in FIG. 2A, a protective film 5 is formed.
Specifically, a SiN film or a SiC film is formed as a protective film 5 to a thickness of about 10 nm to 30 nm, for example, by sputtering, for example, so as to cover the inner wall surface of the wiring groove 1a on the silicon substrate 1.
The same element as the impurity to be analyzed in the protective film 5, for example, N is used when a SiN film is used, and C is used when a SiC film is used. It is necessary to exclude from.

続いて、図2(b)に示すように、図1(c)と同様に、保護膜5上に配線溝1aの内壁面を覆うように、例えばスパッタ法により、下地導電膜としてTaからなるバリアメタル層2aと、配線導電材料3と同一の金属からなるシード層2bとを順次堆積する。   Subsequently, as shown in FIG. 2B, as in FIG. 1C, the base conductive film is made of Ta, for example, by sputtering so as to cover the inner wall surface of the wiring groove 1a on the protective film 5. A barrier metal layer 2a and a seed layer 2b made of the same metal as the wiring conductive material 3 are sequentially deposited.

続いて、図2(c)に示すように、図1(d)と同様に、シード層2b上に、配線溝1aを埋め込むように配線導電材料3を堆積した後、配線導電材料3の表層をCMP法により研磨し、表面を平坦化する。これにより、配線溝1aを保護膜5及びバリアメタル層2aを介して配線導電材料3で埋め込んでなる配線様構造4が形成され、試料12が完成する。   Subsequently, as shown in FIG. 2C, after the wiring conductive material 3 is deposited on the seed layer 2b so as to fill the wiring groove 1a, the surface layer of the wiring conductive material 3 is formed, as in FIG. Is polished by CMP to flatten the surface. As a result, a wiring-like structure 4 is formed by filling the wiring trench 1a with the wiring conductive material 3 via the protective film 5 and the barrier metal layer 2a, and the sample 12 is completed.

[試料を用いた評価方法]
以下、上記のように作製した試料11(12)を用いて、ここではSIMS法により配線導電材料3の含有する不純物を分析する。
SIMS法は、セシウムイオン(Cs+)やリチウムイオン(Li+)等の金属イオンを一次イオンに用いて、一次イオンをビーム状に試料に照射してスパッタし、試料の照射部位から飛散した二次イオンを高分解能質量分析計で検出して分析する手法である。
[Evaluation method using sample]
Hereinafter, using the sample 11 (12) manufactured as described above, here, the impurities contained in the wiring conductive material 3 are analyzed by the SIMS method.
The SIMS method uses a metal ion such as cesium ion (Cs + ) or lithium ion (Li + ) as a primary ion, irradiates the sample with a beam in the form of a beam, sputters, and scatters from the irradiated part of the sample. In this method, secondary ions are detected and analyzed with a high-resolution mass spectrometer.

なお、SIMS法の代わりに、いわゆるGDMS法を用いても良い場合がある。GDMS法では、導電性の固体試料を陰極とし、アルゴン雰囲気下で電圧を加えると正に帯電したArプラズマが生成する。このArプラズマにより試料の表面をスパッタし、放出された原子を放電プラズマ中でイオン化させ、そのイオンを高分解能質量分析計で検出する。   Note that a so-called GDMS method may be used instead of the SIMS method. In the GDMS method, a positively charged Ar plasma is generated when a conductive solid sample is used as a cathode and a voltage is applied in an argon atmosphere. The surface of the sample is sputtered by this Ar plasma, and the emitted atoms are ionized in the discharge plasma, and the ions are detected by a high resolution mass spectrometer.

(1)試料表面に対するSIMS分析
図3に示すように、Cs+を一次イオンに用いて、これをビーム状に試料11の表面に照射し、当該表面から飛散した二次イオンを検出し、配線導電材料3中の不純物を分析する。
(1) SIMS analysis on the sample surface As shown in FIG. 3, the surface of the sample 11 is irradiated in the form of a beam using Cs + as a primary ion, secondary ions scattered from the surface are detected, and wiring is performed. Impurities in the conductive material 3 are analyzed.

(2)試料裏面に対するSIMS(backside SIMS)分析
この場合、試料11のように配線導電材料3の表面を平坦化する必要はない。従って、図4(a)に示すように、図1(d)で配線導電材料3の表面研磨を施さない状態で試料13とする。
そして、図4(b)に示すように、Cs+を一次イオンに用いて、これをビーム状に試料11の裏面に、配線導電材料3の底部を削り取るまで照射し、当該表面から飛散した二次イオンを検出し、配線導電材料3中の不純物を分析する。
(2) SIMS (backside SIMS) analysis on the back surface of the sample In this case, unlike the sample 11, it is not necessary to flatten the surface of the wiring conductive material 3. Therefore, as shown in FIG. 4A, a sample 13 is obtained in a state where the surface of the wiring conductive material 3 is not polished in FIG.
Then, as shown in FIG. 4B, Cs + is used as a primary ion, which is irradiated in a beam shape on the back surface of the sample 11 until the bottom of the wiring conductive material 3 is scraped off, and scattered from the surface. Next ions are detected, and impurities in the wiring conductive material 3 are analyzed.

backside SIMS法による試料13の分析結果を、従来法により作製した試料との比較と共に図5に示す。
ここでは、以下の3種類の試料を用意した。
サンプル1:平坦な基板上にCu配線に見立ててCuを成膜したもの
サンプル2:層間絶縁膜の配線溝に配線溝が形成された、実際の配線構造基板
サンプル3:試料13(幅70nm/70nmの1:1のL&S配線)
The analysis result of the sample 13 by the backside SIMS method is shown in FIG. 5 together with the comparison with the sample manufactured by the conventional method.
Here, the following three types of samples were prepared.
Sample 1: Cu film formed on a flat substrate as Cu wiring Sample 2: Actual wiring structure substrate with wiring groove formed in wiring groove of interlayer insulating film Sample 3: Sample 13 (width 70 nm / 70nm 1: 1 L & S wiring)

各サンプル1〜3では、半導体の配線導電材料として現在のところ最も主流であるCuを電解めっき法で成膜した。めっき液は、所定量の添加剤を含む一般的なものを用い、所定の電流密度・回転条件で成膜した。
図5に示すように、不純物として酸素(O)、炭素(C)、塩素(Cl)、硫黄(S)について各サンプル1〜3について分析したところ、サンプル2では層間絶縁膜に含有された酸素(O)及びC(C)が測定に影響を与えて正確な分析結果が得られないことが判る。サンプル1ではその形態が実際の配線構造と異なるために十分な結果とは言えない。これに対してサンプル3では、その形態がサンプル1に比べて実際の配線構造に可及的に近似したものであり、各不純物濃度についての悪影響は見られず、実際の配線構造の不純物濃度に極めて近いと見なせる結果が得られたものと考えられる。
In each of samples 1 to 3, Cu, which is currently the mainstream as a semiconductor wiring conductive material, was formed by electrolytic plating. A general plating solution containing a predetermined amount of an additive was used, and a film was formed under a predetermined current density and rotation conditions.
As shown in FIG. 5, oxygen (O), carbon (C), chlorine (Cl), and sulfur (S) as impurities were analyzed for samples 1 to 3. In sample 2, oxygen contained in the interlayer insulating film was analyzed. It can be seen that (O) and C (C) affect the measurement and an accurate analysis result cannot be obtained. In Sample 1, the form is different from the actual wiring structure, so it cannot be said that the result is sufficient. On the other hand, in the sample 3, the form is as close as possible to the actual wiring structure as compared with the sample 1, and there is no adverse effect on each impurity concentration, and the impurity concentration in the actual wiring structure is not observed. It is thought that the result which can be considered very close was obtained.

(3)保護膜5を有しない試料11を用いた場合のアニール処理の制限
上述したように、試料11をアニール処理すると、処理条件によってはシリコン基板1とバリアメタル層2aとが熱反応し、配線様構造4が崩壊してSIMS分析が困難になる場合がある。
SIMS分析の可否は、バリアメタル層2aの成膜条件、配線様構造4の形成後のアニール温度条件、分析対象の配線幅により状況は異なる。ここでは、バリアメタル層2aを膜厚30nmのTa膜とし、配線導電材料3としてCuを用い、配線幅の異なる3種類の試料11について、各アニール条件に対するSIMS分析の可否について調べた。3種類の配線様構造4については、幅70nm/70nmの1:1のL&S配線、幅100nm/100nmの1:1のL&S配線、幅500nm/500nmの1:1のL&S配線とした。
(3) Limitation of annealing treatment in the case of using the sample 11 that does not have the protective film 5 As described above, when the sample 11 is annealed, the silicon substrate 1 and the barrier metal layer 2a are thermally reacted depending on the processing conditions. The wiring-like structure 4 may collapse and SIMS analysis may be difficult.
Whether or not the SIMS analysis is possible depends on the film formation conditions of the barrier metal layer 2a, the annealing temperature conditions after the formation of the wiring-like structure 4, and the wiring width to be analyzed. Here, the barrier metal layer 2a was a Ta film having a thickness of 30 nm, Cu was used as the wiring conductive material 3, and the possibility of SIMS analysis for each annealing condition was examined for three types of samples 11 having different wiring widths. For the three types of wiring-like structures 4, a 1: 1 L & S wiring with a width of 70 nm / 70 nm, a 1: 1 L & S wiring with a width of 100 nm / 100 nm, and a 1: 1 L & S wiring with a width of 500 nm / 500 nm were used.

実験結果を図6に示す。
最も幅狭の70nm/70nmでは、250℃で90秒間の処理条件によるアニール処理までは、許容範囲であると見なせる結果が得られた。100nm/100nmでは、250℃で90秒間の処理条件によるアニール処理までは十分に分析可能であったが、275℃で90秒間の処理条件では十分な分析は困難となる。最も幅広の500nm/500nmでは、300℃で90秒間の処理条件によるアニール処理までは十分に分析可能であったが、350℃で90秒間の処理条件では配線様構造4が崩壊し、分析不可となった。
以上より、保護膜5を有しない試料11であっても、アニールの処理条件を限定すれば、実際の配線構造を形成する際のアニール処理による不純物の熱拡散について、正確な情報が得られることが確認された。
The experimental results are shown in FIG.
At the narrowest width of 70 nm / 70 nm, a result that can be regarded as an acceptable range was obtained up to the annealing treatment under the treatment conditions at 250 ° C. for 90 seconds. At 100 nm / 100 nm, sufficient analysis was possible up to annealing treatment under the treatment conditions at 250 ° C. for 90 seconds, but sufficient analysis was difficult under the treatment conditions at 275 ° C. for 90 seconds. At the widest 500 nm / 500 nm, it was possible to analyze sufficiently up to annealing treatment at 300 ° C. for 90 seconds, but the wiring-like structure 4 collapsed at 350 ° C. for 90 seconds, and analysis was impossible. became.
As described above, even in the sample 11 that does not have the protective film 5, if the annealing process conditions are limited, accurate information can be obtained regarding the thermal diffusion of impurities by the annealing process when forming the actual wiring structure. Was confirmed.

(4)保護膜5を有する試料12を用いた場合のアニール処理の制限
続いて、保護膜5として、膜厚が20nm程度のSiN膜を有する試料12について、上記と同様にバリアメタル層2aを膜厚30nmのTa膜とし、配線導電材料3としてCuを用い、配線幅の異なる3種類の試料11について、アニール処理に対するSIMS分析の可否について調べた。3種類の配線様構造4については、幅70nm/70nmの1:1のL&S配線、幅100nm/100nmの1:1のL&S配線、幅500nm/500nmの1:1のL&S配線とした。
(4) Restriction of annealing treatment in the case of using the sample 12 having the protective film 5 Subsequently, the barrier metal layer 2a is formed on the sample 12 having the SiN film having a thickness of about 20 nm as the protective film 5 in the same manner as described above. Using a Ta film with a thickness of 30 nm, Cu as the wiring conductive material 3, and three types of samples 11 having different wiring widths, the possibility of SIMS analysis for annealing treatment was examined. For the three types of wiring-like structures 4, a 1: 1 L & S wiring with a width of 70 nm / 70 nm, a 1: 1 L & S wiring with a width of 100 nm / 100 nm, and a 1: 1 L & S wiring with a width of 500 nm / 500 nm were used.

実験結果を図7に示す。
この試料12では、3種類のL&S配線の全てについて、350℃で180秒間とした高温・長時間の処理条件でアニール処理を行なっても、配線様構造4には全く崩壊が確認されず、十分に分析可能であるという結果が得られた。
以上より、保護膜5を形成することにより、高温・長時間のアニール処理にも十分耐えることが判った。試料12を用いることにより、実際の配線構造を形成する際の幅広い温度範囲のアニール処理による不純物の熱拡散について、正確な情報が得られることが確認された。
The experimental results are shown in FIG.
In this sample 12, even when annealing was performed for all three types of L & S wiring under high-temperature and long-time processing conditions at 350 ° C. for 180 seconds, the wiring-like structure 4 was not completely disintegrated, and sufficient The result is that it can be analyzed.
From the above, it has been found that the formation of the protective film 5 can sufficiently withstand high-temperature and long-time annealing. By using the sample 12, it was confirmed that accurate information can be obtained about the thermal diffusion of impurities by annealing in a wide temperature range when forming an actual wiring structure.

以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡易な構成の試料11〜13を用いて、実際の配線構造に近似する状況で配線導電材料3の不純物濃度を精度良く測定し、実際の配線構造に極めて近い不純物濃度の知見を得ることが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, the samples 11 to 13 having a relatively simple configuration are used to accurately measure the impurity concentration of the wiring conductive material 3 in a situation that approximates the actual wiring structure. It is possible to obtain knowledge of the impurity concentration extremely close to the wiring structure.

(第2の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態で説明した配線の評価方法を適用した、半導体装置の製造方法を開示する。
本実施形態では、半導体装置を製造するに際して、第1の実施形態による配線の評価方法で得られた知見に基づき、配線導電材料の不純物濃度を制御して、配線構造を形成する。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a semiconductor device manufacturing method to which the wiring evaluation method described in the first embodiment is applied is disclosed.
In the present embodiment, when manufacturing a semiconductor device, the wiring structure is formed by controlling the impurity concentration of the wiring conductive material based on the knowledge obtained by the wiring evaluation method according to the first embodiment.

本実施形態における半導体装置の製造方法を説明するにあたり、当該製造方法に適用される配線導電材料の一例について説明する。
先ず、配線の評価方法で得られた、配線導電材料の各種成膜方法毎の知見について説明する。
In describing the manufacturing method of the semiconductor device in the present embodiment, an example of a wiring conductive material applied to the manufacturing method will be described.
First, the knowledge for each film forming method of the wiring conductive material obtained by the wiring evaluation method will be described.

(1)電解めっき法により配線導電材料(Cu)を成膜した場合
ここでは、第1の実施形態で説明した作製方法で作製した試料11における配線導電材料3の各不純物濃度の値について、配線導電材料3を電解めっき法により成膜する場合において、電解めっきに用いる硫酸銅めっき液における各成分の改善条件を探索した。
(1) In the case where a wiring conductive material (Cu) is formed by an electrolytic plating method Here, for each impurity concentration value of the wiring conductive material 3 in the sample 11 manufactured by the manufacturing method described in the first embodiment, wiring is performed. In the case where the conductive material 3 is formed by the electrolytic plating method, the improvement conditions of each component in the copper sulfate plating solution used for the electrolytic plating were searched.

試料11としては、幅70nm/70nmの1:1のL&S配線として作製したものを用いた。測定対象の不純物は、酸素(O)、炭素(C)、塩素(Cl)、硫黄(S)である。   As the sample 11, one prepared as a 1: 1 L & S wiring having a width of 70 nm / 70 nm was used. Impurities to be measured are oxygen (O), carbon (C), chlorine (Cl), and sulfur (S).

実験結果を図8に示す。
ここでは先ず、第1の実施形態で説明した作製方法により、参照対象となる試料11(図8中、REFで示す。)を作製し、これを用いてSIMS法により各不純物濃度を分析した。この結果を踏まえて、硫酸銅めっき液における各成分のうち、無機成分である塩素の濃度を増加させ(50mg/l→75mg/l)、他の成分条件は変えずにCuめっき液を調節し、同様に試料11(図8中、改善条件で示す。)を作製した。この試料11を用いてSIMS法により各不純物濃度を分析したところ、不純物のうち、炭素の濃度が減少(3.0×1019atoms/cm3→2.3×1019atoms/cm3)することが確認された。また、硫黄(S)の濃度も減少(3.4×1019atoms/cm3→2.3×1019atoms/cm3)することが判った。
The experimental results are shown in FIG.
Here, first, a sample 11 (indicated by REF in FIG. 8) to be referred to was manufactured by the manufacturing method described in the first embodiment, and each impurity concentration was analyzed by SIMS method using the sample 11. Based on this result, among the components in the copper sulfate plating solution, the concentration of chlorine, which is an inorganic component, was increased (50 mg / l → 75 mg / l), and the Cu plating solution was adjusted without changing other component conditions. Similarly, a sample 11 (shown in FIG. 8 under improvement conditions) was produced. When this sample 11 was used to analyze the concentration of each impurity by SIMS, the concentration of carbon in the impurity decreased (3.0 × 10 19 atoms / cm 3 → 2.3 × 10 19 atoms / cm 3 ). It was confirmed. It was also found that the concentration of sulfur (S) also decreased (3.4 × 10 19 atoms / cm 3 → 2.3 × 10 19 atoms / cm 3 ).

(2)化学気相蒸着(CVD)法により配線導電材料(Cu)を成膜した場合
ここでは、ここでは、第1の実施形態で説明した作製方法で作製した試料11における配線導電材料3の各不純物濃度の値について、配線導電材料3をCVD法により成膜する場合において、成膜の改善条件を探索した。
(2) When wiring conductive material (Cu) is formed by chemical vapor deposition (CVD) method Here, here, wiring conductive material 3 in sample 11 manufactured by the manufacturing method described in the first embodiment is used. With respect to the value of each impurity concentration, the conditions for improving the film formation were searched when the wiring conductive material 3 was formed by the CVD method.

試料11としては、幅70nm/70nmの1:1のL&S配線として作製したものを用いた。ここでは、スパッタ法によりシリコン基板1の配線溝1aにTa及びTaNからなるバリアメタル層2aを膜厚5nm程度に形成し、引き続き同一のスパッタ装置内で、スパッタ法によりCuからなるシード層2bを膜厚50nm程度に形成した。その後、配線導電材料3をCuとし、シリコン基板1をCu−CVD装置に導入して、Cu−CVDにより配線溝1a内をバリアメタル層2a及びシード層2bを介してCuで埋め込んだ。   As the sample 11, one prepared as a 1: 1 L & S wiring having a width of 70 nm / 70 nm was used. Here, a barrier metal layer 2a made of Ta and TaN is formed to a thickness of about 5 nm in the wiring groove 1a of the silicon substrate 1 by sputtering, and subsequently a seed layer 2b made of Cu is formed by sputtering in the same sputtering apparatus. The film was formed to a thickness of about 50 nm. Thereafter, the wiring conductive material 3 was made Cu, the silicon substrate 1 was introduced into a Cu-CVD apparatus, and the wiring trench 1a was filled with Cu via the barrier metal layer 2a and the seed layer 2b by Cu-CVD.

Cu−CVDの成膜条件は、Cu(hfac)tmvs(Trimethylvinylsilyl hexafluoroacetylacetonate Cu(I) を主原料として用い、流量0.3g/min、基板温度を180℃、成膜圧力を100Paとし、キャリアガスとしてH2/Heの混合ガスを用いて600sccmの流量でCu−CVD装置に供給した。 The deposition conditions for Cu-CVD are Cu (hfac) tmvs (Trimethylvinylsilyl hexafluoroacetylacetonate Cu (I) as the main raw material, a flow rate of 0.3 g / min, a substrate temperature of 180 ° C., a deposition pressure of 100 Pa, and a carrier gas. Using a mixed gas of H 2 / He, it was supplied to the Cu-CVD apparatus at a flow rate of 600 sccm.

上記のように作製した試料11を用いてSIMS法により各不純物濃度を分析した。測定対象の不純物は、炭素(C)及び酸素(O)である。その結果、各不純物濃度は、炭素については、1×1018atoms/cm3(D.L.)よりも小値であり、酸素については、3×1018atoms/cm3であった。この知見に基づき、Cu−CVDの原料純度を高く設定し、低圧でH2/Heの混合ガスをキャリアガスとして用い、後述する製造方法により、高純度の微細配線を形成することができた。Cu−CVDの場合、電解めっきと異なり、配線導電材料内の不純物は配線幅によらず一定であった。 Each impurity concentration was analyzed by the SIMS method using the sample 11 produced as described above. Impurities to be measured are carbon (C) and oxygen (O). As a result, each impurity concentration was smaller than 1 × 10 18 atoms / cm 3 (DL) for carbon, and 3 × 10 18 atoms / cm 3 for oxygen. Based on this knowledge, it was possible to form a high-purity fine wiring by a manufacturing method described later by setting the raw material purity of Cu-CVD high and using a mixed gas of H 2 / He as a carrier gas at a low pressure. In the case of Cu-CVD, unlike electrolytic plating, the impurities in the wiring conductive material were constant regardless of the wiring width.

なおここでは、バリアメタル層としてTa/TaNの積層膜を用いたが、Ti又はZr、或いはこれらの窒素化合物等を用いても良い。また、シード層には純Cuを用いたが、配線導電材料のCVD成膜時における凝集を抑えるために、Al,Mn,Sn,Ti等の不純物を微量加した合金層を用いても良い。この構成を採ることにより、Cu−CVDによるCuの埋め込み性を向上させることができる。   Although a Ta / TaN laminated film is used here as the barrier metal layer, Ti or Zr, or a nitrogen compound thereof may be used. In addition, although pure Cu is used for the seed layer, an alloy layer added with a small amount of impurities such as Al, Mn, Sn, Ti, etc. may be used in order to suppress aggregation of the wiring conductive material during CVD film formation. By adopting this configuration, it is possible to improve Cu embedding by Cu-CVD.

(3)物理気相成長(PVD)法により配線導電材料(Cu)を成膜した場合
ここでは、、第1の実施形態で説明した作製方法で作製した試料11における配線導電材料3の各不純物濃度の値について、配線導電材料3をPVD法により成膜する場合において、成膜の改善条件を探索した。
(3) In the case where a wiring conductive material (Cu) is formed by physical vapor deposition (PVD) method Here, each impurity of the wiring conductive material 3 in the sample 11 manufactured by the manufacturing method described in the first embodiment. With respect to the concentration value, when the wiring conductive material 3 was formed by the PVD method, the conditions for improving the film formation were searched.

試料11としては、幅70nm/70nmの1:1のL&S配線として作製したものを用いた。ここでは、スパッタ法によりシリコン基板1の配線溝1aにTa及びTaNからなるバリアメタル層2aを膜厚10nm程度に形成し、引き続き同一のスパッタ装置内で、スパッタ法によりCu層を膜厚30nm程度に形成し、同装置内において250℃で30秒間のアニール処理を行なった。このCu層の成膜及びアニール処理からなる一連工程を5回繰り返し行い、配線溝1a内をバリアメタル層2aを介してCuで埋め込んだ。   As the sample 11, one prepared as a 1: 1 L & S wiring having a width of 70 nm / 70 nm was used. Here, a barrier metal layer 2a made of Ta and TaN is formed to a thickness of about 10 nm in the wiring groove 1a of the silicon substrate 1 by sputtering, and a Cu layer is subsequently formed to a thickness of about 30 nm by sputtering in the same sputtering apparatus. And annealed at 250 ° C. for 30 seconds in the same apparatus. A series of steps including film formation and annealing treatment of this Cu layer was repeated five times, and the inside of the wiring groove 1a was filled with Cu via the barrier metal layer 2a.

Cu−PVDの成膜条件としては、シリコン基板−ターゲット間距離を450mm、成膜圧力を1×10-3Paとした低圧ロングスロー方式のマグネトロンスパッタで行い、ターゲット電圧を15kW、基板バイアスを60Wにして、配線溝1a内に到達するCuイオンの指向性が十分に高い条件で行なった。成膜後のアニール処理により、成膜されたCu表面が平滑化される。この一連工程を繰り返すことにより、Cuの埋め込み性を向上させることができる。 As the Cu-PVD film forming conditions, low-pressure long-throw magnetron sputtering with a silicon substrate-target distance of 450 mm and a film forming pressure of 1 × 10 −3 Pa was performed, the target voltage was 15 kW, and the substrate bias was 60 W. Thus, the directivity of Cu ions reaching the wiring trench 1a was sufficiently high. By the annealing treatment after the film formation, the formed Cu surface is smoothed. By repeating this series of steps, Cu embedding can be improved.

上記のように作製した試料11を用いてSIMS法により各不純物濃度を分析した。測定対象の不純物は、炭素(C)及び酸素(O)である。その結果、各不純物濃度は、炭素については、1.1×1018atoms/cm3(D.L.)よりも小値であり、酸素については、2.2×1018atoms/cm3(D.L.)よりも小値であった。この知見に基づき、後述する製造方法を実行することにより、高純度の微細配線を形成することができた。Cu−PVDの場合も、電解めっきと異なり、配線導電材料内の不純物は配線幅によらず一定であった。 Each impurity concentration was analyzed by the SIMS method using the sample 11 produced as described above. Impurities to be measured are carbon (C) and oxygen (O). As a result, each impurity concentration is smaller than 1.1 × 10 18 atoms / cm 3 (DL) for carbon, and 2.2 × 10 18 atoms / cm 3 (for oxygen). (DL)). Based on this knowledge, high purity fine wiring could be formed by executing the manufacturing method described later. Also in the case of Cu-PVD, unlike electrolytic plating, the impurities in the wiring conductive material were constant regardless of the wiring width.

通常、PVD法で微細配線内を埋め込むことは困難であるが、今回の事例のように指向性を高めたイオンを用いたり、Cu成膜中にシリコン基板を150℃〜300℃に加熱したり、イオン衝撃の運動量を利用して成膜中に表面のCu拡散を増殖させたり、成膜とエッチングを交互に繰り返す等の手法を採用することにより、良好な埋め込みが可能となる。
なおここでは、バリアメタル層としてTa/TaNの積層膜を用いたが、Ti又はZr、或いはこれらの窒素化合物等を用いても良い。
Normally, it is difficult to embed the fine wiring by the PVD method, but using ions with improved directivity as in this case, or heating the silicon substrate to 150 ° C. to 300 ° C. during Cu film formation By using the momentum of ion bombardment to proliferate Cu diffusion on the surface during film formation, or by adopting a technique such as alternately repeating film formation and etching, it is possible to achieve good embedding.
Although a Ta / TaN laminated film is used here as the barrier metal layer, Ti or Zr, or a nitrogen compound thereof may be used.

以下、本実施形態における半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、例えば上記の(1)で説明した電解めっき法により配線導電材料(Cu)を成膜する場合について例示する。
図9〜図11は、第2の実施形態による半導体装置の製造方法について、工程順に示す概略断面図である。図示の便宜上、図9〜図11では、シリコン基板及び半導体素子を省略し、半導体素子を覆う層間絶縁膜から上層部位のみを示す。
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described. Here, for example, a case where the wiring conductive material (Cu) is formed by the electrolytic plating method described in the above (1) is illustrated.
9 to 11 are schematic cross-sectional views illustrating the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment in the order of steps. For convenience of illustration, in FIGS. 9 to 11, the silicon substrate and the semiconductor element are omitted, and only the upper layer portion from the interlayer insulating film covering the semiconductor element is shown.

先ず、シリコン基板上にSTI等の素子分離構造で画定された活性領域に、所定の半導体素子を形成する。半導体素子としては、例えばシリコン基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、ゲート電極の両側における活性領域の表層部位に不純物を導入してなるソース/ドレインとを備えた、MOSトランジスタ等が挙げられる。   First, a predetermined semiconductor element is formed on an active region defined by an element isolation structure such as STI on a silicon substrate. As a semiconductor element, for example, a MOS transistor including a gate electrode formed on a silicon substrate through a gate insulating film, and a source / drain formed by introducing impurities into the surface layer portion of the active region on both sides of the gate electrode Etc.

続いて、図9(a)に示すように、層間絶縁膜101及びシリコン窒化膜102を順次形成する。
詳細には、半導体素子を覆うように、CVD法等により、例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜101を膜厚200nm〜300nm程度に堆積する。
次に、CVD法等により、層間絶縁膜101上にシリコン窒化膜102を膜厚50nm〜100nm程度に堆積する。
Subsequently, as shown in FIG. 9A, an interlayer insulating film 101 and a silicon nitride film 102 are sequentially formed.
Specifically, an interlayer insulating film 101 made of, for example, a silicon oxide film is deposited to a thickness of about 200 nm to 300 nm by a CVD method or the like so as to cover the semiconductor element.
Next, a silicon nitride film 102 is deposited to a thickness of about 50 nm to 100 nm on the interlayer insulating film 101 by CVD or the like.

続いて、図9(b)に示すように、レジストパターン103を形成する。
詳細には、シリコン窒化膜102上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、配線形状の開口103aを形成し、レジストパターン103とする。
Subsequently, as shown in FIG. 9B, a resist pattern 103 is formed.
Specifically, a resist is applied on the silicon nitride film 102, and the resist is processed by lithography to form a wiring-shaped opening 103a, thereby forming a resist pattern 103.

続いて、図9(c)に示すように、シリコン窒化膜102を加工する。
詳細には、レジストパターン103をマスクとして、シリコン窒化膜102をドライエッチングにより加工する。これにより、シリコン窒化膜102には、レジストパターン103の開口103aに倣った配線形状の開口102aが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 9C, the silicon nitride film 102 is processed.
Specifically, the silicon nitride film 102 is processed by dry etching using the resist pattern 103 as a mask. As a result, an opening 102 a having a wiring shape following the opening 103 a of the resist pattern 103 is formed in the silicon nitride film 102.

続いて、図9(d)に示すように、層間絶縁膜101に配線溝101aを形成する。
詳細には、レジストパターン103及びシリコン窒化膜102をマスクとして、層間絶縁膜101をドライエッチングにより加工する。これにより、層間絶縁膜101には、シリコン窒化膜102の開口102aに倣った形状の配線溝101aが形成される。
レジストパターン103は、例えば灰化処理等により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 9D, a wiring groove 101 a is formed in the interlayer insulating film 101.
Specifically, the interlayer insulating film 101 is processed by dry etching using the resist pattern 103 and the silicon nitride film 102 as a mask. As a result, a wiring trench 101 a having a shape following the opening 102 a of the silicon nitride film 102 is formed in the interlayer insulating film 101.
The resist pattern 103 is removed by, for example, an ashing process.

続いて、図9(e)に示すように、バリアメタル層104及びシード層105を順次形成する。
層間絶縁膜101上に配線溝101aの内壁面を覆うように、例えばスパッタ法により、下地導電膜としてTaからなるバリアメタル層104と、Cuめっきのためのシード層105とを順次堆積する。ここでは、バリアメタル層104を膜厚10nm〜30nm程度に、シード層105を膜厚40nm〜80nm程度にそれぞれ形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 9E, a barrier metal layer 104 and a seed layer 105 are sequentially formed.
A barrier metal layer 104 made of Ta as a base conductive film and a seed layer 105 for Cu plating are sequentially deposited on the interlayer insulating film 101 by sputtering, for example, so as to cover the inner wall surface of the wiring trench 101a. Here, the barrier metal layer 104 is formed to a thickness of about 10 nm to 30 nm, and the seed layer 105 is formed to a thickness of about 40 nm to 80 nm.

続いて、図10(a)に示すように、配線溝101aをCu106で埋め込む。
本実施形態では、配線導電材料であるCuを電解めっき法により成膜する場合において、電解めっきに用いる硫酸銅めっき液の各成分を調節すべく、上述のように試料11又は試料12を作製し、例えばSIMS法により不純物濃度を測定する。その結果、例えば、上述のように塩素の濃度を増加させることにより、配線導電材料であるCuの不純物濃度(ここでは炭素濃度)を低下させることができる、という知見が得られる。本実施形態では、この知見を用いて、Cu106を電解めっき形成するための硫酸銅めっき液を調節制御(例えば塩素濃度の増加)し、当該硫酸銅めっき液を用いて電解めっきを実行する。
Subsequently, as shown in FIG. 10A, the wiring groove 101a is filled with Cu.
In this embodiment, when Cu, which is a wiring conductive material, is formed by electrolytic plating, sample 11 or sample 12 is prepared as described above in order to adjust each component of the copper sulfate plating solution used for electrolytic plating. For example, the impurity concentration is measured by the SIMS method. As a result, for example, the knowledge that the impurity concentration (carbon concentration in this case) of Cu that is the wiring conductive material can be decreased by increasing the concentration of chlorine as described above. In this embodiment, using this knowledge, the copper sulfate plating solution for forming the electrolytic plating of Cu 106 is controlled and controlled (for example, the chlorine concentration is increased), and the electrolytic plating is performed using the copper sulfate plating solution.

なお、電解めっき法の代わりにCVD法やPVD法を用いてCu成膜する場合には、例えば上記の(1)で説明したように試料11又は試料12を用いてSIMS分析を行い、その結果(成膜条件)をCu成膜に反映させれば良い。   In addition, when forming a Cu film using a CVD method or a PVD method instead of the electrolytic plating method, for example, as described in the above (1), SIMS analysis is performed using the sample 11 or the sample 12, and the result (Film formation conditions) may be reflected in Cu film formation.

詳細には、上記のように成分が調節された硫酸銅めっき液を用いた電解めっき法により、シード層105上に、層間絶縁膜101の配線溝101aを埋め込むように、Cu106を成膜する。このとき、Cu106の堆積によりシード層105とCu106とが一体化する。   Specifically, Cu 106 is formed on seed layer 105 so as to embed wiring trench 101a of interlayer insulating film 101 by an electrolytic plating method using a copper sulfate plating solution whose components are adjusted as described above. At this time, the seed layer 105 and the Cu 106 are integrated by the deposition of the Cu 106.

次に、必要に応じてCu106をアニール処理する。このアニール処理は、Cuのグレインサイズを大きくして更なる抵抗低減化を図るものであり、例えば150℃以上350℃以下の範囲内の温度、90秒間以上180秒間以下の処理時間で実行される。このアニール処理を行なう場合には、上記の温度及び処理時間により、例えば350℃に近い温度で180秒間に近い処理時間によりアニール処理を行なう場合には、当該アニール処理と同一のアニール処理をSIMS分析用の試料に施すべく、試料としては、SiCやSiNの保護膜5を備えた試料12を用いることが好ましい。   Next, Cu 106 is annealed as necessary. This annealing process is intended to further reduce the resistance by increasing the grain size of Cu, and is executed, for example, at a temperature in the range of 150 ° C. to 350 ° C. and a processing time of 90 seconds to 180 seconds. . When this annealing treatment is performed, the same annealing treatment is performed by SIMS analysis according to the above temperature and treatment time, for example, when annealing treatment is performed at a temperature close to 350 ° C. for a treatment time of 180 seconds. It is preferable to use the sample 12 provided with the protective film 5 of SiC or SiN as a sample to be applied to the sample for use.

続いて、図10(b)に示すように、Cu106の表層を平坦化して、下部配線107を形成する。
詳細には、Cu106の表層を、シリコン窒化膜102を研磨ストッパーとしてCMP法により研磨し、表面を平坦化する。これにより、配線溝101aをバリアメタル層104を介してCu106で埋め込んでなる下部配線107が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 10B, the surface layer of Cu 106 is flattened to form the lower wiring 107.
Specifically, the surface layer of Cu 106 is polished by CMP using the silicon nitride film 102 as a polishing stopper, and the surface is flattened. As a result, a lower wiring 107 is formed by filling the wiring trench 101a with Cu 106 via the barrier metal layer 104.

続いて、図10(c)に示すように、キャップ層108を形成する。
詳細には、絶縁膜、例えばSiC膜を、下部配線107を覆うようにシリコン窒化膜102上に、プラズマCVD法等により膜厚30nm〜100nm程度に堆積し、キャップ層108を形成する。このキャップ層108は、下部配線107の界面におけるCuの拡散を防止するために形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 10C, a cap layer 108 is formed.
Specifically, an insulating film, for example, a SiC film is deposited on the silicon nitride film 102 so as to cover the lower wiring 107 to a film thickness of about 30 nm to 100 nm by a plasma CVD method or the like, thereby forming the cap layer 108. The cap layer 108 is formed to prevent Cu diffusion at the interface of the lower wiring 107.

続いて、図10(d)に示すように、内部にシリコン窒化膜118を有する層間絶縁膜109を形成する。
詳細には、キャップ層108上にCVD法等により、例えばシリコン酸化膜を堆積する。
次に、このシリコン酸化膜上に、シリコン酸化膜よりもエッチングレートの低い材料、例えばシリコン窒化膜118を堆積する。そして、このシリコン窒化膜118を加工し、下層に存する下部配線107に位置整合する部位に、ビア孔形状の開口118aを形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 10D, an interlayer insulating film 109 having a silicon nitride film 118 therein is formed.
Specifically, for example, a silicon oxide film is deposited on the cap layer 108 by a CVD method or the like.
Next, a material having an etching rate lower than that of the silicon oxide film, for example, a silicon nitride film 118 is deposited on the silicon oxide film. Then, the silicon nitride film 118 is processed to form a via hole-shaped opening 118a at a position aligned with the lower wiring 107 existing in the lower layer.

次に、シリコン窒化膜118を覆うようにシリコン酸化膜を堆積する。
以上により、内部に開口118aが形成されたシリコン窒化膜118を有する、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜109が形成される。
Next, a silicon oxide film is deposited so as to cover the silicon nitride film 118.
Thus, the interlayer insulating film 109 made of the silicon oxide film having the silicon nitride film 118 having the opening 118a formed therein is formed.

続いて、図11(a)に示すように、シリコン窒化膜110を形成し、レジストパターン111を用いてシリコン窒化膜110を加工する。
詳細には、CVD法等により、層間絶縁膜109上にシリコン窒化膜110を膜厚50nm〜100nm程度に堆積する。
次に、シリコン窒化膜109上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、配線形状の開口111aを形成し、レジストパターン111とする。
次に、ジストパターン111をマスクとして、シリコン窒化膜110をドライエッチングにより加工する。これにより、シリコン窒化膜110には、レジストパターン111の開口111aに倣った配線形状の開口110aが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 11A, a silicon nitride film 110 is formed, and the silicon nitride film 110 is processed using the resist pattern 111.
Specifically, the silicon nitride film 110 is deposited on the interlayer insulating film 109 to a thickness of about 50 nm to 100 nm by the CVD method or the like.
Next, a resist is applied on the silicon nitride film 109, and the resist is processed by lithography to form a wiring-shaped opening 111a, thereby forming a resist pattern 111.
Next, the silicon nitride film 110 is processed by dry etching using the dies pattern 111 as a mask. As a result, an opening 110 a having a wiring shape following the opening 111 a of the resist pattern 111 is formed in the silicon nitride film 110.

続いて、図11(b)に示すように、層間絶縁膜109に、配線溝112a及びビア孔112bからなる溝112を形成する。
詳細には、レジストパターン111及びシリコン窒化膜110をマスクとして、層間絶縁膜109を、下部配線107の表面の一部が露出するまで、ドライエッチングにより加工する。即ちこの場合、層間絶縁膜109の上部については、シリコン窒化膜118がエッチングストッパーとなり、シリコン窒化膜110の開口110aに倣った形状の配線溝112aが形成される。引き続き上記のドライエッチングを下部配線107の表面の一部が露出するまで実行することにより、層間絶縁膜109の下部には、シリコン窒化膜118の開口118aに倣った形状のビア孔112bが形成される。このように、1回の連続したドライエッチングにより、層間絶縁膜109には、配線溝112aとビア孔112bとが一体となった溝112が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 11B, a groove 112 including a wiring groove 112 a and a via hole 112 b is formed in the interlayer insulating film 109.
Specifically, using the resist pattern 111 and the silicon nitride film 110 as a mask, the interlayer insulating film 109 is processed by dry etching until a part of the surface of the lower wiring 107 is exposed. That is, in this case, the silicon nitride film 118 serves as an etching stopper above the interlayer insulating film 109, and a wiring groove 112a having a shape following the opening 110a of the silicon nitride film 110 is formed. Subsequently, by performing the above-described dry etching until a part of the surface of the lower wiring 107 is exposed, a via hole 112b having a shape following the opening 118a of the silicon nitride film 118 is formed below the interlayer insulating film 109. The As described above, the trench 112 in which the wiring trench 112 a and the via hole 112 b are integrated is formed in the interlayer insulating film 109 by one continuous dry etching.

続いて、図11(c)に示すように、下部配線107と電気的に接続される上部配線116を形成する。
詳細には、先ず、層間絶縁膜109上に溝112の内壁面を覆うように、例えばスパッタ法により、下地導電膜としてTaからなるバリアメタル層121と、Cuめっきのためのシード層(不図示)とを順次堆積する。ここでは、バリアメタル層121を膜厚10nm〜30nm程度に、シード層を膜厚40nm〜80nm程度にそれぞれ形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 11C, an upper wiring 116 electrically connected to the lower wiring 107 is formed.
Specifically, first, a barrier metal layer 121 made of Ta as a base conductive film and a seed layer for Cu plating (not shown) are formed by sputtering, for example, so as to cover the inner wall surface of the groove 112 on the interlayer insulating film 109. And the like are sequentially deposited. Here, the barrier metal layer 121 is formed to a thickness of about 10 nm to 30 nm, and the seed layer is formed to a thickness of about 40 nm to 80 nm.

次に、配線112をCu106で埋め込む。
ここでも、下部配線107の形成時と同様に、試料11又は試料12を用いたSIMS分析で得られた知見を用いて、Cu106を電解めっき形成するための硫酸銅めっき液を調節制御(例えば塩素濃度の増加)し、当該硫酸銅めっき液を用いて電解めっきを実行する。上記のように成分が調節された硫酸銅めっき液を用いた電解めっき法により、シード層上に、層間絶縁膜109の溝112を埋め込むように、Cu106を成膜する。このとき、Cu106の堆積によりシード層とCu106とが一体化する。
Next, the wiring 112 is embedded with Cu106.
Here too, as in the formation of the lower wiring 107, the knowledge obtained by SIMS analysis using the sample 11 or 12 is used to adjust and control the copper sulfate plating solution for forming the electrolytic plating of Cu 106 (for example, chlorine The concentration is increased) and electrolytic plating is performed using the copper sulfate plating solution. Cu 106 is formed on the seed layer so as to fill the groove 112 of the interlayer insulating film 109 by the electrolytic plating method using the copper sulfate plating solution whose components are adjusted as described above. At this time, the seed layer and Cu 106 are integrated by the deposition of Cu 106.

次に、必要に応じてCu106をアニール処理する。このアニール処理は、Cuのグレインサイズを大きくして更なる抵抗低減化を図るものであり、例えば150℃以上350℃以下の範囲内の温度、90秒間以上180秒間以下の処理時間で実行される。この場合にも、当該アニール処理を見込んで、SIMS分析の際に試料12を用いても良い。   Next, Cu 106 is annealed as necessary. This annealing process is intended to further reduce the resistance by increasing the grain size of Cu, and is executed, for example, at a temperature in the range of 150 ° C. to 350 ° C. and a processing time of 90 seconds to 180 seconds. . Also in this case, the sample 12 may be used in the SIMS analysis in consideration of the annealing treatment.

次に、Cu106の表層を、シリコン窒化膜110を研磨ストッパーとしてCMP法により研磨し、表面を平坦化する。これにより、溝112をバリアメタル層121を介してCu106で埋め込んでなり、下部配線107と電気的に接続されてなる上部配線116が形成される。
そして、絶縁膜、例えばSiC膜を、上部配線116を覆うようにシリコン窒化膜110上に、プラズマCVD法等により膜厚30nm〜100nm程度に堆積し、キャップ層117を形成する。
Next, the surface layer of Cu 106 is polished by CMP using the silicon nitride film 110 as a polishing stopper, and the surface is flattened. As a result, the trench 112 is filled with the Cu 106 via the barrier metal layer 121, and the upper wiring 116 electrically connected to the lower wiring 107 is formed.
Then, an insulating film, for example, a SiC film is deposited on the silicon nitride film 110 so as to cover the upper wiring 116 to a film thickness of about 30 nm to 100 nm by a plasma CVD method or the like, thereby forming a cap layer 117.

上記したような、層間絶縁膜内に下部配線及び上部配線が形成されてなる配線構造を、必要に応じて複数層、積層形成し、多層配線構造を有する半導体装置を完成させる。   A wiring structure in which a lower wiring and an upper wiring are formed in an interlayer insulating film as described above is formed in a plurality of layers as necessary, thereby completing a semiconductor device having a multilayer wiring structure.

以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡易な構成の試料11〜13を用いて、実際の配線構造に近似する状況で配線導電材料3の不純物濃度を精度良く測定し、実際の配線構造に極めて近い不純物濃度の知見を得た後、当該知見を用いて、下部配線107及び上部配線116中の不純物濃度を低減化し、EM耐性及びSIV耐性に優れた信頼性の高い半導体装置を製造することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, the samples 11 to 13 having a relatively simple configuration are used to accurately measure the impurity concentration of the wiring conductive material 3 in a situation that approximates the actual wiring structure. After obtaining knowledge of the impurity concentration very close to the wiring structure of the semiconductor device, using the knowledge, the impurity concentration in the lower wiring 107 and the upper wiring 116 is reduced, and a highly reliable semiconductor device having excellent EM resistance and SIV resistance. Can be manufactured.

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。   Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.

(付記1)シリコン基板の表面を加工して溝を形成する工程と、
前記溝内に導電材料を埋め込み、配線様構造を形成する工程と、
前記配線様構造が形成された前記シリコン基板を試料として、前記配線様構造の前記配線導電材料内に存する不純物の濃度を分析する工程と
を含むことを特徴とする配線の評価方法。
(Appendix 1) A step of processing the surface of the silicon substrate to form a groove;
Embedding a conductive material in the groove to form a wiring-like structure;
And analyzing the concentration of impurities present in the wiring conductive material of the wiring-like structure using the silicon substrate on which the wiring-like structure is formed as a sample.

(付記2)前記溝内に前記導電材料を埋め込む工程は、
前記溝内に下地導電膜を形成する工程と、
前記下地導電膜上に前記導電材料を形成する工程と
を含むことを特徴とする付記1に記載の配線の評価方法。
(Appendix 2) The step of embedding the conductive material in the groove includes
Forming a base conductive film in the groove;
The method of evaluating a wiring according to appendix 1, further comprising: forming the conductive material on the base conductive film.

(付記3)前記下地導電膜は、Ta,TaN及びTiNから選ばれた1種であることを特徴とする付記2に記載の配線の評価方法。   (Supplementary note 3) The wiring evaluation method according to supplementary note 2, wherein the underlying conductive film is one selected from Ta, TaN and TiN.

(付記4)前記溝の表面と前記下地導電膜との間に、SiN膜又はSiC膜を形成することを特徴とする付記2に記載の配線の評価方法。   (Supplementary note 4) The wiring evaluation method according to supplementary note 2, wherein a SiN film or a SiC film is formed between the surface of the groove and the underlying conductive film.

(付記5)前記配線様構造を形成した後、前記分析を行なう前に、前記シリコン基板をアニール処理する工程を更に含むことを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の配線の評価方法。   (Appendix 5) The wiring according to any one of appendices 1 to 4, further comprising a step of annealing the silicon substrate after forming the wiring-like structure and before performing the analysis. Evaluation methods.

(付記6)前記アニール処理は、150℃以上350℃以下の範囲内の温度、90秒間以上180秒間以下の処理時間で行われることを特徴とする付記4に記載の配線の評価方法。   (Supplementary note 6) The wiring evaluation method according to supplementary note 4, wherein the annealing treatment is performed at a temperature in a range of 150 ° C. to 350 ° C. and a treatment time of 90 seconds to 180 seconds.

(付記7)前記配線導電材料は、金、銀、銅、アルミニウム、白金、及びマンガンからなる群から選ばれた1種、又は前記群から選ばれた少なくとも2種を含むことを特徴とする付記1〜6のいずれか1項に記載の配線の評価方法。   (Additional remark 7) The said wiring conductive material contains 1 type chosen from the group which consists of gold, silver, copper, aluminum, platinum, and manganese, or at least 2 sorts chosen from the said group The wiring evaluation method according to any one of 1 to 6.

(付記8)前記不純物は、S,Cl,O,C,及びNから選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする付記1〜7のいずれか1項に記載の配線の評価方法。   (Supplementary note 8) The wiring evaluation method according to any one of supplementary notes 1 to 7, wherein the impurity is at least one selected from S, Cl, O, C, and N.

(付記9)前記配線溝内に前記配線導電材料を埋め込むに際して、物理気相成長(PVD)法、化学気相蒸着(CVD)法、原子層堆積(ALD)法、超臨界堆積法、電解めっき法、及び無電解めっき法のうちから選ばれた少なくとも1種の成膜方法を用いることを特徴とする付記1〜8のいずれか1項に記載の配線の評価方法。   (Supplementary Note 9) When the wiring conductive material is embedded in the wiring groove, physical vapor deposition (PVD) method, chemical vapor deposition (CVD) method, atomic layer deposition (ALD) method, supercritical deposition method, electrolytic plating 9. The wiring evaluation method according to any one of appendices 1 to 8, wherein at least one film forming method selected from a method and an electroless plating method is used.

(付記10)前記分析は、前記配線様構造をスパッタし、前記配線様構造から飛散する元素を検出することにより行なわれることを特徴とする付記1〜9のいずれか1項に記載の配線の評価方法。   (Supplementary note 10) The wiring according to any one of supplementary notes 1 to 9, wherein the analysis is performed by sputtering the wiring-like structure and detecting an element scattered from the wiring-like structure. Evaluation methods.

(付記11)前記配線様構造の幅が前記スパッタ領域のサイズよりも小さいことを特徴とする付記10に記載の配線の評価方法。   (Additional remark 11) The width | variety of the said wiring-like structure is smaller than the size of the said sputtering area | region, The evaluation method of the wiring of Additional remark 10 characterized by the above-mentioned.

(付記12)前記分析は、二次イオン質量分析法で行なわれることを特徴とする付記10又は11に記載の配線の評価方法。   (Supplementary note 12) The wiring evaluation method according to supplementary note 10 or 11, wherein the analysis is performed by secondary ion mass spectrometry.

(付記13)前記配線様構造を形成した後、前記配線様構造の表面を研磨して平坦化する工程を更に含むことを特徴とする付記1〜12のいずれか1項に記載の配線の評価方法。   (Supplementary note 13) The wiring evaluation according to any one of supplementary notes 1 to 12, further comprising a step of polishing and flattening a surface of the wiring-like structure after forming the wiring-like structure. Method.

(付記14)前記分析の際に、前記シリコン基板の裏面から前記ビームを照射することを特徴とする付記12に記載の配線の評価方法。   (Supplementary note 14) The wiring evaluation method according to supplementary note 12, wherein the beam is irradiated from the back surface of the silicon substrate during the analysis.

(付記15)第1のシリコン基板の表面を加工して溝を形成する工程と、
塩素元素を含有する第1の硫酸銅めっき液を用いて、前記溝内に導電材料を埋め込み、配線様構造を形成する第1の電解めっき工程と、
前記配線様構造が形成された前記第1のシリコン基板を試料として、前記配線様構造の前記導電材料内に存する不純物の濃度を分析する工程と、
第2のシリコン基板上に形成された絶縁膜を加工して配線溝を形成する工程と、
塩素元素を含有する第2の硫酸銅めっき液を用いて、前記配線溝内に前記導電材料を埋め込み、配線構造を形成する第2の電解めっき工程と
を含み、
前記第2の硫酸銅めっき液中の塩素濃度は、前記分析結果に基づき制御されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Additional remark 15) The process of processing the surface of a 1st silicon substrate, and forming a groove | channel,
A first electrolytic plating step of forming a wiring-like structure by embedding a conductive material in the groove using a first copper sulfate plating solution containing a chlorine element;
Analyzing the concentration of impurities present in the conductive material of the wiring-like structure using the first silicon substrate on which the wiring-like structure is formed as a sample;
Processing the insulating film formed on the second silicon substrate to form a wiring groove;
A second electrolytic plating step of forming a wiring structure by embedding the conductive material in the wiring groove using a second copper sulfate plating solution containing chlorine element,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein a chlorine concentration in the second copper sulfate plating solution is controlled based on the analysis result.

(付記16)前記不純物は炭素又は硫黄であり、前記分析において所定量以上の前記炭素又は硫黄が検出された場合、前記第2の硫酸銅めっき液の塩素濃度を、前記第1の硫酸銅めっき液の塩素濃度よりも高くすることを特徴とする付記15に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 16) The said impurity is carbon or sulfur, and when the said carbon or sulfur more than predetermined amount is detected in the said analysis, the chlorine concentration of a said 2nd copper sulfate plating solution is set to the said 1st copper sulfate plating. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 15, wherein the concentration of chlorine is higher than a chlorine concentration of the liquid.

(付記17)前記溝の表面に、SiN膜又はSiC膜を形成することを特徴とする付記15又は16に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 17) The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 15 or 16 which forms a SiN film or a SiC film in the surface of the said groove | channel.

(付記18)前記配線様構造を形成した後、前記分析を行なう前に、前記シリコン基板をアニール処理する工程を更に含むことを特徴とする付記17に記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary note 18) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 17, further comprising a step of annealing the silicon substrate after forming the wiring-like structure and before performing the analysis.

(付記19)前記アニール処理は、150℃以上350℃以下の範囲内の温度、90秒間以上180秒間以下の処理時間で行われることを特徴とする付記18に記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary note 19) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 18, wherein the annealing treatment is performed at a temperature in a range of 150 ° C. to 350 ° C. and a treatment time of 90 seconds to 180 seconds.

(付記20)前記分析は、二次イオン質量分析法で行なわれることを特徴とする付記15〜19のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 20) The said analysis is performed by secondary ion mass spectrometry, The manufacturing method of the semiconductor device of any one of Additional remarks 15-19 characterized by the above-mentioned.

第1の実施形態による配線の評価方法に用いる試料の作製方法について、工程順に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing shown in order of a process about the preparation method of the sample used for the evaluation method of wiring by a 1st embodiment. 本実施形態による配線の評価方法に用いる試料の作製方法の他の例について、主要工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the main processes about the other example of the preparation methods of the sample used for the wiring evaluation method by this embodiment. 第1の実施形態による配線の評価方法に用いる試料を用いたSIMS分析を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the SIMS analysis using the sample used for the wiring evaluation method by 1st Embodiment. 第1の実施形態による配線の評価方法に用いる試料を用いたbackside SIMS分析を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the backside SIMS analysis using the sample used for the wiring evaluation method by 1st Embodiment. backside SIMS法による試料の分析結果を、従来法により作製した試料との比較と共に示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the sample by backside SIMS method with the comparison with the sample produced by the conventional method. 各アニール条件に対する試料のSIMS分析の可否について示す図である。It is a figure which shows whether the SIMS analysis of the sample with respect to each annealing condition is possible. 各アニール条件に対する、保護膜を有する試料のSIMS分析の可否について示す図である。It is a figure which shows whether the SIMS analysis of the sample which has a protective film with respect to each annealing condition is possible. 電解めっきに用いる硫酸銅めっき液における各成分の改善条件について参照対象との比較で示す図である。It is a figure shown by comparison with a reference object about improvement conditions of each ingredient in a copper sulfate plating solution used for electroplating. 第2の実施形態による半導体装置の製造方法について、工程順に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing shown in order of a process about the manufacturing method of the semiconductor device by 2nd Embodiment. 図9に引き続き、第2の実施形態による半導体装置の製造方法について、工程順に示す概略断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment in order of processes subsequent to FIG. 9. 図10に引き続き、第2の実施形態による半導体装置の製造方法について、工程順に示す概略断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment in order of processes subsequent to FIG. 10.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板
1a,101a,112a 配線溝
2a,104,121 バリアメタル層
2b,105 シード層
3 配線導電材料
4 配線様構造
5 保護膜
11,12,13 試料
101,109 層間絶縁膜
101a,102a,103a,110a,111a 開口
102,110,118 シリコン窒化膜
103,111 レジストパターン
107 下部配線
108,117 キャップ層
112b ビア孔
112 溝
116 上部配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 1a, 101a, 112a Wiring groove | channel 2a, 104, 121 Barrier metal layer 2b, 105 Seed layer 3 Wiring conductive material 4 Wiring-like structure 5 Protective film 11, 12, 13 Sample 101, 109 Interlayer insulation film 101a, 102a, 103a, 110a, 111a Opening 102, 110, 118 Silicon nitride film 103, 111 Resist pattern 107 Lower wiring 108, 117 Cap layer 112b Via hole 112 Groove 116 Upper wiring

Claims (5)

シリコン基板の表面を加工して溝を形成する工程と、
前記溝内に導電材料を埋め込み、配線様構造を形成する工程と、
前記配線様構造が形成された前記シリコン基板を試料として、前記配線様構造の前記配線導電材料内に存する不純物の濃度を分析する工程と
を含むことを特徴とする配線の評価方法。
Processing the surface of the silicon substrate to form grooves,
Embedding a conductive material in the groove to form a wiring-like structure;
And analyzing the concentration of impurities present in the wiring conductive material of the wiring-like structure using the silicon substrate on which the wiring-like structure is formed as a sample.
前記溝内に前記導電材料を埋め込む工程は、
前記溝内に下地導電膜を形成する工程と、
前記下地導電膜上に前記導電材料を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項1に記載の配線の評価方法。
The step of embedding the conductive material in the groove includes
Forming a base conductive film in the groove;
The wiring evaluation method according to claim 1, further comprising: forming the conductive material on the base conductive film.
前記溝の表面と前記下地導電膜との間に、SiN膜又はSiC膜を形成することを特徴とする請求項2に記載の配線の評価方法。   The wiring evaluation method according to claim 2, wherein a SiN film or a SiC film is formed between the surface of the groove and the base conductive film. 前記分析は、二次イオン質量分析法で行なわれることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の配線の評価方法。   The wiring analysis method according to claim 1, wherein the analysis is performed by secondary ion mass spectrometry. 第1のシリコン基板の表面を加工して溝を形成する工程と、
塩素元素を含有する第1の硫酸銅めっき液を用いて、前記溝内に導電材料を埋め込み、配線様構造を形成する第1の電解めっき工程と、
前記配線様構造が形成された前記第1のシリコン基板を試料として、前記配線様構造の前記導電材料内に存する不純物の濃度を分析する工程と、
第2のシリコン基板上に形成された絶縁膜を加工して配線溝を形成する工程と、
塩素元素を含有する第2の硫酸銅めっき液を用いて、前記配線溝内に前記導電材料を埋め込み、配線構造を形成する第2の電解めっき工程と
を含み、
前記第2の硫酸銅めっき液中の塩素濃度は、前記分析結果に基づき制御されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Processing the surface of the first silicon substrate to form a groove;
A first electrolytic plating step of forming a wiring-like structure by embedding a conductive material in the groove using a first copper sulfate plating solution containing a chlorine element;
Analyzing the concentration of impurities present in the conductive material of the wiring-like structure using the first silicon substrate on which the wiring-like structure is formed as a sample;
Processing the insulating film formed on the second silicon substrate to form a wiring groove;
A second electrolytic plating step of forming a wiring structure by embedding the conductive material in the wiring groove using a second copper sulfate plating solution containing chlorine element,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein a chlorine concentration in the second copper sulfate plating solution is controlled based on the analysis result.
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