JP2009099833A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多層配線構造を有す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 having a multilayer wiring structure and a method for manufacturing the same.
近年、半導体集積回路装置の高集積化、高機能化、及び高速化に伴って、配線構造の微細化及び多層化が進行している。ここで、半導体集積回路装置の高速化の要求に応えるため、配線の材料としては、Cuを主とした低抵抗な材料が使用されている。また、配線層が形成された層間絶縁膜の材料としては、低誘電率を有する材料が用いられている。配線は、例えば層間絶縁膜に配線溝を形成した後、該配線溝にCuを埋め込む、埋め込み配線技術により形成される。 In recent years, miniaturization and multilayering of wiring structures have progressed along with higher integration, higher functionality, and higher speed of semiconductor integrated circuit devices. Here, in order to meet the demand for higher speed of the semiconductor integrated circuit device, a low resistance material mainly made of Cu is used as a material of the wiring. A material having a low dielectric constant is used as a material for the interlayer insulating film on which the wiring layer is formed. For example, the wiring is formed by a buried wiring technique in which a wiring groove is formed in an interlayer insulating film and Cu is embedded in the wiring groove.
しかし、Cuは熱や電界により絶縁膜中に拡散し易い。このCuの拡散は、TDDB(Time Dependence on Dielectric Breakdown)を引き起こし、半導体装置の信頼性を低下させてしまう。そのため、配線溝の底面及び側面を、Ta等の高融点を有する金属からなる金属防止膜で被膜し、配線の上面をSiN系などの膜で覆うことにより、Cuが絶縁膜中に拡散するのを防いでいる。 However, Cu is easily diffused into the insulating film by heat or an electric field. This diffusion of Cu causes TDDB (Time Dependence on Dielectric Breakdown), which reduces the reliability of the semiconductor device. Therefore, the bottom and side surfaces of the wiring trench are coated with a metal prevention film made of a metal having a high melting point such as Ta, and the upper surface of the wiring is covered with a SiN-based film so that Cu diffuses into the insulating film. Is preventing.
一方、配線間の層間絶縁膜として低誘電率膜を用いた場合、絶縁耐性が低くなるというおそれがある。ここで、配線構造がより微細化され、さらには多層化されると、隣り合う配線同士の距離は小さくなる。その結果、微細化された配線間の層間絶縁膜として誘電率の低い絶縁膜を使用すると、絶縁耐性の劣化が問題となってくる。 On the other hand, when a low dielectric constant film is used as an interlayer insulating film between wirings, there is a risk that the insulation resistance is lowered. Here, when the wiring structure is further miniaturized and further multilayered, the distance between adjacent wirings becomes small. As a result, when an insulating film having a low dielectric constant is used as an interlayer insulating film between miniaturized wirings, deterioration of insulation resistance becomes a problem.
そこで、埋め込み配線技術を用いた場合に絶縁耐性を向上させる手法として、配線のうち電界が集中する箇所が絶縁膜の研磨面から離れるように配線を形成する方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。また、低誘電率膜の絶縁耐性が低下することや、低誘電率膜の加工時に絶縁耐性が劣化する課題に対して、配線間に設けられた層間絶縁膜の材料とは異なる、絶縁性の高い材料からなる絶縁性バリア層を配線間に挿入することで、絶縁耐性を高める技術が提案されている(例えば特許文献2参照)。
しかし、上記の2つの手法によると、全ての配線領域に対して、互いに隣接する配線間の絶縁耐性を向上させる必要があるため、配線の抵抗が増大する不具合が生じる。そこで、互いに隣接する配線間の領域のうち、どの箇所が絶縁耐性が低いかについて検討する必要がある。 However, according to the above two methods, since it is necessary to improve the insulation resistance between adjacent wirings for all wiring regions, there is a problem that the resistance of the wiring increases. Therefore, it is necessary to examine which part of the region between adjacent wirings has low insulation resistance.
図5は、配線間に電圧を加えた際に、配線間に発生するリーク電流を測定した結果を示す図である。なお、上層配線と下層配線とを接続するビア(ビアホール)が設けられていない領域において、互いに隣接する配線間の分離距離を変えて測定した結果をそれぞれ示している。図5に示すように、配線間の分離距離が大きいほど、配線間に発生するリーク電流は小さくなっている。この結果より、配線間に設けられた絶縁膜の絶縁耐性は、配線間の分離距離が大きくなるに連れて向上することが分かる。 FIG. 5 is a diagram illustrating a result of measuring a leakage current generated between wirings when a voltage is applied between the wirings. In addition, in the area | region where the via | veer (via hole) which connects upper layer wiring and lower layer wiring is not provided, the result of having changed the separation distance between mutually adjacent wiring is shown, respectively. As shown in FIG. 5, the larger the separation distance between wirings, the smaller the leakage current generated between the wirings. From this result, it can be seen that the insulation resistance of the insulating film provided between the wirings is improved as the separation distance between the wirings is increased.
また、図6は、配線間に設けられた絶縁膜のTDDB寿命の測定結果を示す図である。ここで、TDDB寿命とは、絶縁破壊の時間的依存性を客観的に計る尺度であって、例えば高温の測定条件下で配線間に高電圧を加えた際の電圧印加から絶縁破壊までの時間を言う。なお、図6における横軸及び縦軸は、故障時間及びワイブルプロットをそれぞれ表しており、ビアホールが設けられていない領域において、互いに隣接する配線間の距離を変えて測定した結果をそれぞれ示している。図6に示すように、配線間の分離距離が大きいほど、TDDB寿命が延びている。この結果より、配線間に設けられた絶縁膜の信頼性は、配線間の分離距離が大きくなるに連れて向上することが分かる。 FIG. 6 is a diagram showing a measurement result of the TDDB life of the insulating film provided between the wirings. Here, the TDDB life is a measure for objectively measuring the time dependency of dielectric breakdown, and for example, the time from voltage application to dielectric breakdown when a high voltage is applied between wirings under high temperature measurement conditions. Say. Note that the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 6 represent the failure time and the Weibull plot, respectively, and show the results obtained by changing the distance between adjacent wirings in the region where no via hole is provided. . As shown in FIG. 6, the TDDB life is extended as the separation distance between the wirings is increased. From this result, it can be seen that the reliability of the insulating film provided between the wirings is improved as the separation distance between the wirings is increased.
以上の結果より、配線間の分離距離が大きくなるほど、配線間に設けられた絶縁膜の絶縁性及び信頼性が高くなることが確認できたが、図5及び図6に示す結果は、ビアホールが設けられていない場合の結果である。そこで、ビアホールが設けられた領域における配線間の絶縁耐性について検討した。その結果を図7を用いて説明する。 From the above results, it was confirmed that the insulation and reliability of the insulating film provided between the wirings increased as the separation distance between the wirings increased. However, the results shown in FIGS. It is a result when not provided. Therefore, the insulation resistance between the wirings in the region where the via hole was provided was examined. The result will be described with reference to FIG.
図7は、ビアホールが設けられた場合(接続孔有り)及びビアホール(接続孔無し)が設けられていない場合において、それぞれ配線間に電圧を加えた際に配線間に発生するリーク電流を測定した結果を示す図である。図7から、ビアホールが設けられていない場合に比べ、ビアホールが設けられた場合はリーク電流が大きくなっており、絶縁耐性が低くなることが分かる。この理由について、図8〜図11を用いて以下に説明する。 FIG. 7 shows the measurement of leakage current generated between wirings when a voltage is applied between the wirings when via holes are provided (with connection holes) and when via holes (without connection holes) are provided. It is a figure which shows a result. From FIG. 7, it can be seen that when the via hole is provided, the leakage current is large and the insulation resistance is low as compared with the case where the via hole is not provided. The reason for this will be described below with reference to FIGS.
図8(a)は、デュアルダマシン法を用いた65nm以細デバイスにおける、多層配線構造を有する従来の半導体装置の構成を示す平面図である。また、図8(b)は、図8(a)に示すVIIIb−VIIIb線における断面図である。図8(a)、(b)に示すように、従来の半導体装置は、基板(図示せず)上に形成された第1の層間絶縁膜101と、第1の層間絶縁膜101に埋め込まれて形成され、拡散防止膜102aとCu膜102bとから構成された下層配線102と、第1の層間絶縁膜101及び下層配線102の上に形成された第1の絶縁性拡散防止膜103と、第1の絶縁性拡散防止膜103上に形成された第2の層間絶縁膜104と、第2の層間絶縁膜104の上部に埋め込まれて形成され、拡散防止膜105aとCu膜105bとから構成される上層配線105と、第1の絶縁性拡散防止膜103及び第2の層間絶縁膜104を貫通し、下層配線102の上面に達するビアホール106cに設けられ、上層配線105と下層配線102とを接続するビア106と、上層配線105及び第2の層間絶縁膜104の上に形成された第2の絶縁性拡散防止膜107とを備えている。なお、ビア106は、上層配線105と同様にして、ビアホール106cの内面に形成された拡散防止膜105aとビアホール106cに埋め込まれたCu膜105bとから構成されている。
FIG. 8A is a plan view showing a configuration of a conventional semiconductor device having a multilayer wiring structure in a 65 nm or smaller device using the dual damascene method. Moreover, FIG.8 (b) is sectional drawing in the VIIIb-VIIIb line | wire shown to Fig.8 (a). As shown in FIGS. 8A and 8B, the conventional semiconductor device is embedded in a first
上述の構成を有する従来の半導体装置は、図8(a)に示すように、平面的に見てビアホール106c(ビア106)の一部が、互いに隣接する上層配線105間の領域にはみ出している。このため、ビア106が形成された領域では、互いに隣接する上層配線105間の分離距離がその他の領域と比較して局所的に小さくなっている。この場合、ビア106のはみ出し部分において局所的な電界集中が発生する結果、ビア106が形成された領域では、配線間に設けられた絶縁膜の絶縁耐性が劣化する問題が生じる。
In the conventional semiconductor device having the above-described configuration, as shown in FIG. 8A, a part of the
ここで、ビア106が上層配線105間の領域にはみ出すのを防止するためには、上層配線105を形成する際に、幅がビアホール106cの直径よりも大きくなるように、上層配線105用の配線溝を設ければ問題はない。しかし、下層配線102とビア106の接触面積を広く取るためには、直径が上層配線105用の配線溝よりも大きくなるようにビアホール106cを形成することが求められている。その結果、ビア106と上層配線105の接続部分におけるビアホール106cの直径は、上層配線105の配線幅よりも大きくなってしまう。また、半導体装置の微細化の進行に伴い、特にビアホール106cを上層配線の配線溝よりも先に形成するデュアルダマシン法を用いると、例えばビアホール106cの形成時に発生するミスアライメントにより、平面的に見てビア106の一部が上層配線105からはみ出して形成される可能性が高くなる。
Here, in order to prevent the
ここで、半導体装置の多層配線構造の形成時にビアの一部が上層配線からはみ出して形成される場合について、図9〜図11を参照しながら詳しく説明する。図9(a)、図10(a)、図11(a)は、それぞれ従来の多層配線構造の形成工程における、ビアホールを形成した後の状態を示す平面図である。また、図9(b)、図10(b)、図11(b)は、それぞれ多層配線構造の形成工程における、上層配線用の配線溝を形成した後の状態を示す平面図である。 Here, a case where a part of the via protrudes from the upper layer wiring when forming the multilayer wiring structure of the semiconductor device will be described in detail with reference to FIGS. 9 (a), 10 (a), and 11 (a) are plan views showing states after via holes are formed in the conventional multilayer wiring structure forming step. FIG. 9B, FIG. 10B, and FIG. 11B are plan views each showing a state after forming a wiring groove for upper layer wiring in the formation process of the multilayer wiring structure.
最初に、図9(a)、(b)に示すように、直径301が上層配線905の配線溝310の幅302よりも小さく、あるいは、等しく且つ配線とのミスアライメントが無いようにビアホール900を形成すると、互いに隣接する上層配線905間の分離距離303は、ビアの有無にかかわらず一定となる。この場合、電界強度が局部的に増大することはないため、上層配線905間に設けられた層間絶縁膜904の絶縁耐性が低下する可能性は小さい。
First, as shown in FIGS. 9A and 9B, the
一方、図10(a)、(b)は、例えば下層配線とビアとの接触面積を広くするために、直径301が上層配線905の配線溝の幅302よりも大きくなるようにビアホール910を形成する場合を示している。図10(b)から、平面的に見て配線溝310からビアホール910がはみ出して形成されていることが分かる。ここで、配線溝310の側面からビアホール910の側面までの距離をはみ出し量E1とすると、ビアホール910が形成された領域では、互いに隣接する上層配線905間の分離距離304が、その他の領域における上層配線905間の分離距離303よりもはみ出し量E1だけ小さくなる。
On the other hand, in FIGS. 10A and 10B, the via
さらに、図11(a)、(b)は、例えば、ビアホール形成時にミスアライメントが発生した場合を示している。図11(b)から、平面的に見て配線溝310からビアホール911がはみ出して形成されていることが分かる。ここで、ミスアライメントにより生じる、配線溝310の側面からビアホール911の側面までの距離をはみ出し量E2とすると、図10に示す場合と同様に、ビアホール911が形成された領域では、互いに隣接する上層配線905間の分離距離304が、その他の領域における上層配線905間の分離距離303よりはみ出し量E2だけ小さくなる。なお、下層配線とビアとの接触面積を広く確保する際にビアホール911のミスアライメントが発生した場合、ビアホール911が形成された領域における上層配線905間の分離距離304は、その他の領域に比べてさらに小さくなってしまう。
Further, FIGS. 11A and 11B show a case where misalignment occurs when forming a via hole, for example. From FIG. 11B, it can be seen that the via
以上説明したように、多層配線構造を有する従来の半導体装置では、直径が上層配線の配線溝よりも大きいビアホールが形成された場合、あるいは配線溝と同じか小さいビアホールでもミスアライメントにより配線溝の側面からはみ出して形成された場合には、配線間に設けられた絶縁膜に局部的な電界集中が発生する結果、配線間の絶縁耐性が悪くなるおそれがある。 As described above, in a conventional semiconductor device having a multilayer wiring structure, when a via hole whose diameter is larger than the wiring groove of the upper layer wiring is formed, or even if the via hole is equal to or smaller than the wiring groove, the side surface of the wiring groove is caused by misalignment. When formed so as to protrude, local electric field concentration occurs in the insulating film provided between the wirings, so that the insulation resistance between the wirings may be deteriorated.
本発明は、上記の課題に鑑み、配線間に設けられた絶縁膜への電界集中が抑制され、微細化されても、絶縁破壊が抑制され、十分な信頼性を有する半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention suppresses electric field concentration on an insulating film provided between wirings, suppresses dielectric breakdown even when miniaturized, and has a sufficiently reliable semiconductor device and a method for manufacturing the same The purpose is to provide.
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、基板と、前記基板上に形成され、ビアホールと、前記ビアホールの上部に連結された配線溝とを有する第1の絶縁膜と、前記ビアホールに埋め込まれたビアと、前記ビアに電気的に接続され、前記配線溝に埋め込まれた金属配線と、前記ビアホールの側面に設けられ、前記金属配線の側面と前記第1の絶縁膜との間に挟まれて形成された第2の絶縁膜とを備えている。 In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present invention includes a substrate, a first insulating film formed on the substrate, having a via hole and a wiring trench connected to an upper portion of the via hole, and the via hole. A via buried in the via, a metal wiring electrically connected to the via and buried in the wiring trench, and provided on a side surface of the via hole, between the side surface of the metal wiring and the first insulating film And a second insulating film formed between the two.
この構成によれば、例えば下層配線とビアとの接触面積を広く確保するために、平面的に見てビアホールが互いに隣接する金属配線間の領域にはみ出して形成された場合でも、はみ出したビアホールの側面には、金属配線と層間絶縁膜(第1の絶縁膜)の間に挟まれて形成された第2の絶縁膜が設けられている。このため、互いに隣接する金属配線間の分離距離が、ビアが形成されない領域に比べて小さくなるのを抑制することができる。これにより、配線間に電圧が印加されても、電界はビアホールのはみ出し領域に集中するのではなく、第2の絶縁膜と金属配線との界面に分散して加わるので、局所的な電界集中を大幅に防止できる。従って、本実施形態の半導体装置を用いれば、微細化されても、配線間に設けられた絶縁膜の絶縁破壊が抑制され、高い信頼性を有する半導体装置を実現することができる。 According to this configuration, for example, in order to secure a wide contact area between the lower layer wiring and the via, even when the via hole protrudes into a region between the metal wirings adjacent to each other in plan view, On the side surface, a second insulating film formed between the metal wiring and the interlayer insulating film (first insulating film) is provided. For this reason, it can suppress that the separation distance between the metal wiring adjacent to each other becomes smaller than the region where the via is not formed. As a result, even when a voltage is applied between the wirings, the electric field is not concentrated in the protruding region of the via hole, but is distributed and applied to the interface between the second insulating film and the metal wiring. It can be greatly prevented. Therefore, if the semiconductor device of this embodiment is used, even if the semiconductor device is miniaturized, the dielectric breakdown of the insulating film provided between the wirings is suppressed, and a highly reliable semiconductor device can be realized.
また、前記金属配線は複数あり、金属配線間の距離と比較して、前記ビアホールに隣接する金属配線と前記ビアホールとの距離は、短くなっていてもよい。 Further, there are a plurality of the metal wirings, and the distance between the metal wiring adjacent to the via hole and the via hole may be shorter than the distance between the metal wirings.
また、前記第2の絶縁膜は、前記金属配線と前記第1の絶縁膜との間から、前記ビアと前記第1の絶縁膜との間にわたって設けられ、前記ビアの上部第2の絶縁膜の水平断面形状は、かまぼこ型であってもよい。 Further, the second insulating film is provided between the metal wiring and the first insulating film and between the via and the first insulating film, and an upper second insulating film of the via The horizontal cross-sectional shape may be a kamaboko shape.
また、前記第2の絶縁膜は、前記金属配線のうち前記ビア上に形成された部分の両側面少なくとも一方の側面において、前記第1の絶縁膜との間に挟まれて形成されていてもよい。 The second insulating film may be formed between the first insulating film and at least one side surface of both sides of the portion of the metal wiring formed on the via. Good.
また、前記1の絶縁膜は、低誘電率膜であってもよい。この場合、前記第1の絶縁膜は、SiOC、SiCNH、又はSiOCHからなれば好ましい。 The 1 insulating film may be a low dielectric constant film. In this case, it is preferable that the first insulating film is made of SiOC, SiCNH, or SiOCH.
さらに、前記第2の絶縁膜は、前記第1の絶縁膜と同等以上の電気的絶縁性を有していてもよい。 Furthermore, the second insulating film may have an electrical insulating property equal to or higher than that of the first insulating film.
また、前記ビアが形成された領域は、平面的に見て前記金属配線が形成された領域に含まれていてもよい。 The region where the via is formed may be included in the region where the metal wiring is formed in a plan view.
また、前記ビアの側面の1部は、前記金属配線の側面の一方と同一面を形成していてもよい。 Further, a part of the side surface of the via may form the same surface as one of the side surfaces of the metal wiring.
続いて、本発明の半導体装置の製造方法は、基板に第1の絶縁膜を形成した後、前記第1の絶縁膜にビアホールを形成する工程(a)と、前記ビアホールの側面に第2の絶縁膜を堆積する工程(b)と、前記工程(b)の後、前記第1の絶縁膜の上部を選択的に除去することで、少なくとも一方の側面が前記第2の絶縁膜に接し、前記ビアホールの上部に連結された配線溝を形成する工程(c)と、前記工程(c)の後、前記配線溝及び前記ビアホールに導電膜を埋め込んでから前記導体膜の一部を除去することで、前記ビアホールに設けられたビアと、前記ビアと電気的に接続され、前記ビア上に設けられた部分の少なくとも一方の側面が前記第2の絶縁膜に接する金属配線とをそれぞれ形成する工程(d)とを備えている。 Subsequently, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after forming a first insulating film on the substrate, a step (a) of forming a via hole in the first insulating film, and a second step on the side surface of the via hole. After the step (b) of depositing an insulating film and the step (b), by selectively removing the upper portion of the first insulating film, at least one side surface is in contact with the second insulating film, Forming a wiring groove connected to the upper portion of the via hole; and after the step (c), a conductive film is embedded in the wiring groove and the via hole and then a part of the conductor film is removed. And a step of forming a via provided in the via hole and a metal wiring electrically connected to the via and having at least one side surface of the portion provided on the via contacting the second insulating film. (D).
この方法によれば、工程(c)で、少なくとも一方の側面が第2の絶縁膜に接するように配線溝を形成することで、平面的に見て互いに隣接する金属配線間の領域にはみ出したビアホールの側面に第2の絶縁膜が設けられたビアを形成することができる。これにより、互いに隣接する金属配線間の分離距離が、ビアの形成されない領域に比べて小さくなるのを抑制することができ、配線間に電圧が印加されても、ビアホールのはみ出し領域に局所的に電界が集中するのを抑制することができる。従って、本発明の半導体装置の製造方法を用いると、微細化されても、配線間に設けられた絶縁膜の絶縁破壊が抑制され、高い信頼性を有する半導体装置を製造することができる。 According to this method, in the step (c), the wiring groove is formed so that at least one side surface is in contact with the second insulating film, so that it protrudes into a region between adjacent metal wirings in plan view. A via in which a second insulating film is provided on a side surface of the via hole can be formed. As a result, it is possible to suppress the separation distance between adjacent metal wirings from becoming smaller than a region where no via is formed, and even if a voltage is applied between the wirings, the via hole protrudes locally. Concentration of the electric field can be suppressed. Therefore, when the semiconductor device manufacturing method of the present invention is used, even if the semiconductor device is miniaturized, the dielectric breakdown of the insulating film provided between the wirings is suppressed, and a semiconductor device having high reliability can be manufactured.
さらに、本発明の半導体装置の製造方法では、金属配線と第1の絶縁膜との間に第2の絶縁膜を介在させるために、工程(c)で配線溝の幅を所定の幅から変更する必要がない。言い換えれば、所定の領域に配線溝を形成することで、平面的に見て金属配線からはみ出して形成されたビアホールのはみ出し領域にのみ、自己整合的に第2の絶縁膜を残存させることができる。従って、本発明の半導体装置の製造方法によれば、上述の効果に加えて、金属配線の抵抗を上昇させることなく、配線間に信頼性の高い絶縁膜を備えた半導体装置を比較的容易に製造することができる。 Furthermore, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the width of the wiring groove is changed from a predetermined width in the step (c) in order to interpose the second insulating film between the metal wiring and the first insulating film. There is no need to do. In other words, by forming the wiring trench in the predetermined region, the second insulating film can be left in a self-aligned manner only in the protruding region of the via hole formed so as to protrude from the metal wiring in a plan view. . Therefore, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in addition to the above-described effects, a semiconductor device having a highly reliable insulating film between the wirings can be relatively easily obtained without increasing the resistance of the metal wiring. Can be manufactured.
また、前記工程(d)では、前記第2の絶縁膜は、前記ビアの上部の側面から前記金属配線の側面にわたって形成されていてもよい。 In the step (d), the second insulating film may be formed from the side surface above the via to the side surface of the metal wiring.
また、前記工程(d)では、両側面が前記第2の絶縁膜に接するように、前記金属配線を形成してもよい。 In the step (d), the metal wiring may be formed so that both side surfaces are in contact with the second insulating film.
また、前記工程(b)の後、且つ、前記工程(c)の前に、前記ビアホールにレジストを埋め込む工程をさらに備え、前記工程(c)は、前記配線溝を形成した後、前記レジストを除去する工程を有していてもよい。 Further, after the step (b) and before the step (c), the method further includes a step of embedding a resist in the via hole, and the step (c) includes forming the wiring groove and then removing the resist. You may have the process of removing.
また、前記工程(d)は、デュアルダマシン法を用いて、前記ビアと前記金属配線とを同時に形成する工程であってもよい。 Further, the step (d) may be a step of simultaneously forming the via and the metal wiring by using a dual damascene method.
また、前記第1の絶縁膜は、低誘電率膜であってもよい。この場合、前記第1の絶縁膜は、SiOC、SiCNH、又はSiOCHからなると好ましい。 The first insulating film may be a low dielectric constant film. In this case, the first insulating film is preferably made of SiOC, SiCNH, or SiOCH.
また、前記第2の絶縁膜は、前記第1の絶縁膜と同等以上の電気的絶縁性を有していてもよい。 The second insulating film may have an electrical insulating property equal to or higher than that of the first insulating film.
また、前記工程(b)は、PECVD法を用いてシリコン酸化膜からなる前記第2の絶縁膜を堆積する工程であってもよい。 Further, the step (b) may be a step of depositing the second insulating film made of a silicon oxide film by using a PECVD method.
本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、例えば多層配線構造の隣接する配線間に設けられた絶縁膜の絶縁破壊の発生を抑制することができるため、微細化されても、信頼性が高く、高速に動作可能な半導体装置を実現することができる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention, for example, it is possible to suppress the occurrence of dielectric breakdown of an insulating film provided between adjacent wirings of a multilayer wiring structure. A high-speed semiconductor device that can operate at high speed can be realized.
(実施形態)
以下、本発明の実施形態の係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。図1(a)は、本実施形態の半導体装置の構成を示す平面図である。また、図1(b)は、図1(a)に示すIb−Ib線における断面図である。なお、図1(a)において、第2の絶縁性拡散防止膜507は省略されている。
(Embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a plan view showing the configuration of the semiconductor device of this embodiment. Moreover, FIG.1 (b) is sectional drawing in the Ib-Ib line | wire shown to Fig.1 (a). In FIG. 1A, the second insulating
図1(a)、(b)に示すように、本実施形態の半導体装置は、基板(図示せず)と、基板上に形成され、上部に下層配線溝502cを有する第1の層間絶縁膜501と、下層配線溝502cに埋め込まれて形成され、Taなどからなる第1の拡散防止膜502aとCuなどからなる第1の金属膜502bとから構成された下層配線502と、第1の層間絶縁膜501及び下層配線502の上に形成された第1の絶縁性拡散防止膜503と、第1の絶縁性拡散防止膜503上に形成され、ビアホール506cと該ビアホール506cの上部に連結された上層配線溝505cとを有する第2の層間絶縁膜504とを備えている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the semiconductor device of this embodiment includes a substrate (not shown) and a first interlayer insulating film formed on the substrate and having a
さらに、本実施形態の半導体装置は、ビアホール506cにCuなどからなる第2の金属膜505bが埋め込まれて形成されたビア506と、ビア506を介して下層配線502に電気的に接続され、上層配線溝505cにCuなどからなる第2の金属膜505bが埋め込まれて形成された上層配線505と、ビアホール506cの一部の側面に設けられ、上層配線505と第2の層間絶縁膜504との間に挟まれて形成された絶縁膜508と、第2の層間絶縁膜504、上層配線505及び絶縁膜508の上に形成された第2の絶縁性拡散防止膜507とを備えている。なお、ビアホール506c及び上層配線溝505cの内面には、Taなどからなる第2の拡散防止膜505aが形成されている。なお、第1の拡散防止膜502a及び第2の拡散防止膜505a、並びに、第1の絶縁性拡散防止膜503及び第2の絶縁性拡散防止膜507は、配線の材料であるCuが層間絶縁膜中へ拡散するのを防ぐために、配線を取り囲むように設けられている。
Further, the semiconductor device of this embodiment is electrically connected to the
続いて、図2(a)〜(c)を参照しながら本実施形態の半導体装置におけるビアと上層配線が形成された領域について詳細に説明する。図2(a)及び(b)は、それぞれ本実施形態の半導体装置の構成を示す鳥瞰図及び平面図である。また、図2(c)は、図2(b)に示すA−A’線における断面図である。 Next, the region in which the via and the upper layer wiring in the semiconductor device of this embodiment are formed will be described in detail with reference to FIGS. 2A and 2B are a bird's-eye view and a plan view showing the configuration of the semiconductor device of this embodiment, respectively. FIG. 2C is a cross-sectional view taken along line A-A ′ shown in FIG.
図2(a)〜(c)に示すように、本実施形態の半導体装置では、例えば下層配線とビアとの接触面積を十分に確保するため、ビアホール506cの開口径を上層配線505の配線幅よりも大きく設けた結果、ビアホール506cが互いに隣接する上層配線505間の領域にはみ出して形成されている。ここで、平面的に見て上層配線505からはみ出したビアホール506cの側面には、絶縁膜508が設けられている。この構成によれば、ビアホール506cに第2の金属膜505b(図1参照)が埋め込まれて形成されるビア506は、互いに隣接する上層配線505間の領域にはみ出す事無く設けられる。具体的には、図2(b)に示すように、絶縁膜508の水平断面形状は、かまぼこ型となっている。
As shown in FIGS. 2A to 2C, in the semiconductor device of this embodiment, for example, the opening diameter of the via
本実施形態の半導体装置の特徴は、ビアホール506cの側面であって、上層配線505と第2の層間絶縁膜504との間に挟まれて形成された絶縁膜508を備えていることにある。この構成によれば、平面的に見てビアホール506cが互いに隣接する上層配線505間の領域にはみ出して形成された場合でも、はみ出したビアホール506cの側面には絶縁膜508が設けられているため、互いに隣接する上層配線505間の分離距離510(図1(a)参照)が、ビア506が形成されない領域に比べて小さくなるのを抑制することができる。これにより、配線間に電圧が加えられても、電界はビアホール506cのはみ出し領域に集中するのではなく、絶縁膜508と上層配線505との界面601(図2(a)参照)に分散して加わるので、局所的な電界集中を大幅に防止できる。従って、本実施形態の半導体装置を用いれば、微細化されても、配線間に設けられた絶縁膜の絶縁破壊が抑制され、高い信頼性を有する半導体装置を実現することができる。
A feature of the semiconductor device of this embodiment is that it includes an insulating
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。図3(a)〜(f)は、本実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described. 3A to 3F are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device of this embodiment.
まず、図3(a)に示すように、半導体からなる基板(図示せず)上に第1の層間絶縁膜501を形成する。その後、第1の層間絶縁膜501に下層配線溝502cを形成し、該下層配線溝502cの内面にTaなどからなる第1の拡散防止膜502a、Cuなどからなる第1の金属膜502bを順次堆積する。これにより、第1の拡散防止膜502aと第1の金属膜502bとから構成される下層配線502を形成することができる。次に、第1の層間絶縁膜501及び下層配線502の上に、例えばSiCN系の材料からなる第1の絶縁性拡散防止膜503を形成する。
First, as shown in FIG. 3A, a first
続いて、第1の絶縁性拡散防止膜503上に、第2の層間絶縁膜504、及び例えばPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法により形成されたシリコン酸化膜である、PETEOS(Plasma-Enhanced Tetraethylorthosilicate)膜などからなるキャップ膜511を順次形成する。その後、キャップ膜511、第2の層間絶縁膜504、及び第1の絶縁性拡散防止膜503の一部を除去して、ビアホール506cを開口する。この時、第1の絶縁性拡散防止膜503は、膜厚が10nm程度となるまで除去する。
Subsequently, on the first insulating
次に、図3(b)に示すように、ビアホール506cの内面上及びキャップ膜511上に、絶縁膜508を堆積する。堆積する絶縁膜508の膜厚は、ビアホール506cの開口部が塞がらない程度とする。なお、絶縁膜508の材料として、例えばPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法により形成されたシリコン酸化膜である、PETEOS(Plasma-Enhanced Tetraethylorthosilicate)膜を用い、第2の層間絶縁膜504の材料として、低誘電率膜のSiOC膜を用いた場合、絶縁膜508のうち、ビアホール506cの上部の側面に形成された部分と、キャップ膜511上に形成された部分との膜厚比は、ほぼ1となる。これは、PETEOS膜が比較的良好な被膜性を示すためである。また、ビアホール506cの底に近くなるにつれて被膜性が低下し、ビアホール506c底部ではほとんど被膜されないようにPECVDの成膜条件(RF−POWERや圧力など)を調整することも可能である。なお、本工程で堆積する絶縁膜508の膜厚は、ビアホール506cの開口時の直径R1、後の工程で形成する上層配線溝の配線幅R2、及び上層配線溝のミスアライメント量R3を考慮して設定すればよい。例えば、R1=90nm、R2=70nm、R3=10nmの場合、ビアホール506cのうち平面的に見て互いに隣接する上層配線505間の領域にはみ出す部分の最大長さは、20nmと推定できる。この時、膜厚が20nmとなるように絶縁膜508を堆積すると、後の工程で互いに隣接する上層配線505間の領域にビア506がはみ出すことなく形成されるため好ましい。
Next, as illustrated in FIG. 3B, an insulating
次に、図3(c)に示すように、ビアホール506cの内部にレジスト509を塗布により埋め込んで熱処理を行ったのち、エッチングバックによりビアホール506c内部にのみレジストを残す。これによりビアホール506cの内部がレジスト509により保護されるため、後の工程で上層配線溝をドライエッチングにより形成する際に、熱処理後のエッチングバックによってビアホール506cの下面が下層配線502まで達して下層配線にダメージを及ぼすのを抑制することができる。なお、本工程でビアホール506c内にレジスト509を埋め込み易くするためには、上述の図3(b)に示す工程で、ビアホール506cの上部を塞がない程度の膜厚で、絶縁膜508を形成するとよい。ただし、ビアの比抵抗の上昇を抑制するためには、ビアホール506cの下部の側面に形成された絶縁膜508の膜厚は、ビアホール506cの上部の側面における膜厚よりも小さい方が好ましい。これは、ビアホール506cの側面に形成される絶縁膜508の膜厚が大きいほど、ビアの形成領域が小さくなり、抵抗が上昇するおそれがあるからである。従って、図3(b)に示す絶縁膜508を形成する工程では、ビアホール506cの下部の側面における被膜性が比較的悪くなる条件下で、PETEOS膜を堆積してもよい。
Next, as shown in FIG. 3C, after a resist 509 is buried in the via
次に、図3(d)に示すように、図示しないがレジストパターンを絶縁膜508の上に形成し、これをマスクとしてエッチングをすることで、第2の層間絶縁膜504の一部を除去して、ビアホール506cの上部に連結された上層配線溝505cを形成する。この時、絶縁膜508のうち上層配線溝505cの形成領域に設けられた部分は第2の層間絶縁膜504とともに除去される一方、ビアホール506cの一部の側面に設けられた部分は残存する。また、ビアホール506c部分における上層配線溝505cの深さは、上層配線溝505cのエッチング前におけるビアホール506c内のレジスト509の高さや、第2の層間絶縁膜504とビアホール506c内のレジスト509とのエッチング時の選択比で調整することが可能である。従って、これによりビアホール506cの一部の側面への残存深さ(ビアホール506cの底部から残存する絶縁膜508の上面までの高さ)も調整できる。次いで、ビアホール506c内に埋め込まれたレジスト509を除去する。
Next, as shown in FIG. 3D, although not shown, a resist pattern is formed on the insulating
続いて、図3(e)に示すように、多段階のドライエッチング法を行うことで、キャップ膜511の表面とビアホール506cの底部の絶縁膜508および、及び第1の絶縁性拡散防止膜503を除去して、ビアホール506cのうち、上層配線溝505cの形成領域以外の側面に設けられた絶縁膜508が残るように下層配線502の上面を露出させる。具体的には、深さ方向への選択除去性を高めた条件(たとえば低圧力、高いバイアスなど)で絶縁膜508を除去した後、第1の絶縁性拡散防止膜503をエッチングバックにより除去する。この時、キャップ膜511も合わせて除去しても良いし、耐湿性が低いなど第2の層間絶縁膜504の種類によっては残しても良い。図3(e)には、キャップ膜511を残さない場合を図示した。これにより、本工程では、絶縁膜508をビアホール506cの一部の側面に残すとともに、ビアホール506cを下層配線502にまで到達させることができる。
Subsequently, as shown in FIG. 3E, by performing a multi-stage dry etching method, the insulating
次に、図3(f)に示すように、ビアホール506c及び上層配線溝505cの内面及び絶縁膜508上に、TaとTaNの積層膜などからなる第2の拡散防止膜505a、Cuシード膜(図示せず)を順次堆積する。その後、ビアホール506c及び上層配線溝505cを埋めるように、Cuシード膜上にCuからなる第2の金属膜505bを電解メッキ法により堆積する。続いて、ビアホール506c及び上層配線溝505cの内部以外に形成された第2の拡散防止膜505a及び第2の金属膜505bをCMP(Chemical Mechanical Polishing)法によりそれぞれ除去する。これにより、第2の拡散防止膜505aと第2の金属膜505bとから構成されるビア506及び上層配線505を同時に形成することができる。なお、図3(e)では図示していないが、多段階のドライエッチングによってキャップ膜511の表面とビアホール506cの底部に形成された絶縁膜508、及び第1の絶縁性拡散防止膜503を除去して、ビアホール506cのうち、上層配線溝505cの形成領域外の側面に設けられた絶縁膜508が残るように下層配線502の上面を露出させた場合に、ビアホール506cの上部および上層配線溝505cの上部は、エッチング時にテーパー(角落ち)が生じ、隣接する上層配線溝505c間距離や、上層配線溝505cとビアホール506cの上部との距離が短くなる。その場合には、ビアホール506c及び上層配線溝505cの内部以外に形成された第2の拡散防止膜505a及び第2の金属膜505bをCMP法によりそれぞれ除去する際に、テーパーの深さ以上にオーバー研磨することによりテーパーによる分離距離の低下を防ぐことが可能である。続いて、第2の層間絶縁膜504及び上層配線505上に第2の絶縁性拡散防止膜507を形成する。以上の方法により、本実施形態の半導体装置を製造することができる。
Next, as shown in FIG. 3F, on the inner surface of the via
本実施形態の半導体装置の製造方法の特徴は、図3(b)に示す工程でビアホール506cの側面に絶縁膜508を形成した後、図3(d)に示す工程で、少なくとも一方の側面が絶縁膜508に接する上層配線溝505cを形成することにある。この方法によれば、例えば下層配線502とビア506との接触面積を十分に確保するため、ビアホール506cの開口径を上層配線溝505cの幅よりも大きく設けた場合でも、平面的に見て互いに隣接する上層配線505間の領域にはみ出したビアホール506cの側面に絶縁膜508が設けられたビア506が形成できる。これにより、互いに隣接する上層配線505間の分離距離が、ビア506が形成されない領域に比べて小さくなるのを抑制することができ、配線間に電圧が加えられても、ビアホール506cのはみ出し領域に局所的に電界が集中するのを抑制することができる。従って、本実施形態の半導体装置の製造方法を用いると、微細化されても、配線間に設けられた絶縁膜の絶縁破壊が抑制され、高い信頼性を有する半導体装置を製造することができる。
The semiconductor device manufacturing method of this embodiment is characterized in that, after forming the insulating
また、本実施形態の半導体装置の製造方法では、上層配線505と第2の層間絶縁膜504との間に絶縁膜508を介在させるために、図3(d)に示す工程で上層配線溝505cの幅を所定の幅から変更する必要がない。言い換えれば、所定の領域に上層配線溝505cを形成することで、平面的に見て上層配線505からはみ出して形成されたビアホール506cのはみ出し領域にのみ、自己整合的に絶縁膜508を残存させることができる。従って、本実施形態の半導体装置の製造方法を用いると、上述の効果に加えて、上層配線505の抵抗を上昇させることなく、配線間に信頼性の高い絶縁膜を備えた半導体装置を比較的容易に製造することができる。
Further, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, since the insulating
なお、本実施形態の半導体装置及びその製造方法において、第2の層間絶縁膜504が低誘電率膜から構成されていれば、配線間の寄生抵抗を低減できるためより好ましい。この場合、低誘電率膜の具体的な材料としては、SiOC、SiCN、又はSiOCHなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
In the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, it is more preferable that the second
また、絶縁膜508が第2の層間絶縁膜504よりも電気的絶縁性が高い膜から構成されていればより好ましい。これにより、例えば絶縁膜508の膜厚が小さく、ビアホール506cのはみ出し領域全体に絶縁膜508が埋め込まれない場合でも、隣接する上層配線505との絶縁性を十分に確保することが可能となる。
In addition, it is more preferable that the insulating
なお、本実施形態の半導体装置の製造方法では、上層配線505とビア506とを同時に形成するデュアルダマシン法を用いたが、これに限定されるものではない。
In the semiconductor device manufacturing method of the present embodiment, the dual damascene method in which the
以下、本実施形態の半導体装置の変形例について説明する。図4(a)及び(b)は、それぞれ本実施形態の半導体装置の変形例に係る、上層配線とビアが形成された領域を示す鳥瞰図及び平面図である。また、図4(c)は、図4(b)に示すA−A’線における断面図である。 Hereinafter, modifications of the semiconductor device of this embodiment will be described. FIGS. 4A and 4B are a bird's-eye view and a plan view showing a region where an upper layer wiring and a via are formed, respectively, according to a modification of the semiconductor device of this embodiment. FIG. 4C is a cross-sectional view taken along line A-A ′ shown in FIG.
図4(a)〜(c)に示すように、本実施形態の半導体装置の変形例では、平面的に見てビアホール506cが、互いに隣接する上層配線505間の領域の片側だけでなく、両側においてはみ出して形成されている。ここで、上層配線505のうちビア506上に形成された部分の両側面と第2の層間絶縁膜(図示せず)との間には、絶縁膜508が挟まれて形成されている。これにより、ビアホール506cのはみ出し領域が絶縁膜508で埋め込まれることで、互いに隣接する上層配線505間の分離距離が、ビア506が形成されない領域に比べて小さくなるのを抑制することができる。従って、本実施形態の半導体装置の変形例を用いても、上述の本実施形態の半導体装置と同様な効果を得ることができる。
As shown in FIGS. 4A to 4C, in the modification of the semiconductor device of this embodiment, the via
なお、本実施形態の半導体装置の変形例は、本実施形態の半導体装置の製造方法の一部を変更することで製造することができる。具体的には、図3(a)〜(c)に示す工程を順次行った後、図3(d)に示す工程で、一方の側面だけでなく両側面が絶縁膜508に接するように上層配線溝505cを形成する。以降、上述の製造方法と同様な工程を行うことで、本実施形態の半導体装置の変形例を製造することができる。
In addition, the modification of the semiconductor device of this embodiment can be manufactured by changing a part of the manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment. Specifically, after the steps shown in FIGS. 3A to 3C are sequentially performed, in the step shown in FIG. 3D, not only one side surface but also both side surfaces are in contact with the insulating
本発明の半導体装置は、多層配線構造を有する半導体装置の微細化に有用である。 The semiconductor device of the present invention is useful for miniaturization of a semiconductor device having a multilayer wiring structure.
501 第1の層間絶縁膜
502 下層配線
502a 第1の拡散防止膜
502b 第1の金属膜
502c 下層配線溝
503 第1の絶縁性拡散防止膜
504 第2の層間絶縁膜
505 上層配線
505a 第2の拡散防止膜
505b 第2の金属膜
505c 上層配線溝
506 ビア
506c ビアホール
507 第2の絶縁性拡散防止膜
508 絶縁膜
509 レジスト
510 分離距離
511 キャップ膜
601 界面
501 First interlayer insulating film
502 Lower layer wiring
502a First diffusion prevention film
502b First metal film
502c Lower layer wiring groove
503 First insulating diffusion barrier film
504 Second interlayer insulating film
505 Upper layer wiring
505a Second diffusion barrier film
505b Second metal film
505c Upper layer wiring groove
506 Via
506c Beer hole
507 Second insulating diffusion barrier film
508 Insulating film
509 resist
510 Separation distance
511 Cap membrane
601 interface
Claims (18)
前記基板上に形成され、ビアホールと、前記ビアホールの上部に連結された配線溝とを有する第1の絶縁膜と、
前記ビアホールに埋め込まれたビアと、
前記ビアに電気的に接続され、前記配線溝に埋め込まれた金属配線と、
前記ビアホールの側面に設けられ、前記金属配線の側面と前記第1の絶縁膜との間に挟まれて形成された第2の絶縁膜とを備えている半導体装置。 A substrate,
A first insulating film formed on the substrate and having a via hole and a wiring groove connected to the upper portion of the via hole;
Vias embedded in the via holes;
Metal wiring electrically connected to the via and embedded in the wiring trench;
A semiconductor device comprising a second insulating film provided on a side surface of the via hole and formed between the side surface of the metal wiring and the first insulating film.
前記金属配線間の距離と比較して、前記ビアホールに隣接する前記金属配線と前記ビアホールとの距離は、短いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 There are a plurality of the metal wirings,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a distance between the metal wiring adjacent to the via hole and the via hole is shorter than a distance between the metal wirings.
前記第2の絶縁膜の水平断面形状は、かまぼこ型である請求項1又は2に記載の半導体装置。 The second insulating film is provided between the metal wiring and the first insulating film, and between the via and the first insulating film,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a horizontal cross-sectional shape of the second insulating film is a kamaboko type.
前記工程(a)の後、前記ビアホールの側面に第2の絶縁膜を堆積する工程(b)と、
前記工程(b)の後、前記第1の絶縁膜の上部を選択的に除去することで、少なくとも一方の側面が前記第2の絶縁膜に接し、前記ビアホールの上部に連結された配線溝を形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後、前記配線溝及び前記ビアホールに導電膜を埋め込んでから前記導体膜の一部を除去することで、前記ビアホールに設けられたビアと、前記ビアと電気的に接続され、前記ビア上に設けられた部分の少なくとも一方の側面が前記第2の絶縁膜に接する金属配線とをそれぞれ形成する工程(d)とを備えている半導体装置の製造方法。 (A) forming a via hole in the first insulating film after forming the first insulating film on the substrate;
After the step (a), a step (b) of depositing a second insulating film on the side surface of the via hole;
After the step (b), by selectively removing the upper portion of the first insulating film, at least one side surface is in contact with the second insulating film, and a wiring groove connected to the upper portion of the via hole is formed. Forming (c);
After the step (c), a conductive film is buried in the wiring groove and the via hole, and then a part of the conductor film is removed, so that the via provided in the via hole is electrically connected to the via. And a step (d) of forming a metal wiring in which at least one side surface of the portion provided on the via is in contact with the second insulating film.
前記工程(c)は、前記配線溝を形成した後、前記レジストを除去する工程を有している請求項10〜12のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。 A step of embedding a resist in the via hole after the step (b) and before the step (c);
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the step (c) includes a step of removing the resist after forming the wiring groove.
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