JP2009117673A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置における配線の製造方法に関し、特に配線上に導電体キャップ膜を形成することにより信頼性を向上させる技術に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a wiring in a semiconductor device, and more particularly to a technique for improving reliability by forming a conductor cap film on the wiring.
近年、半導体装置(特に、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、その内部配線として銅(Cu)もしくは銅を主体とした配線(以下、Cu配線と記す)が多く用いられている。そのようなCu配線に対しても、更なる微細化の進展により、配線断面積が小さくなって配線中の電流密度が増大しているために、更なるエレクトロマイグレーション(以下、EMと記す)耐性の向上が求められている。 In recent years, as the integration, performance, and speed of semiconductor devices (particularly, semiconductor integrated circuit devices) have increased, copper (Cu) or copper-based wiring (hereinafter referred to as Cu wiring) is used as the internal wiring. Is often used. Even for such Cu wiring, since further cross-sectional area is reduced and current density in the wiring is increased due to further miniaturization, resistance to further electromigration (hereinafter referred to as EM) is increased. Improvement is demanded.
その対策の一つとして、Cu配線上面に銅シリサイド(CuSix)または銅シリコンナイトライド(CuSiN)層を形成する手法が提案されている。従来の構造では、Cu配線と層間絶縁膜との界面が主要なCu拡散経路となっているが、Cu配線表面に、CuSixまたはCuSiN層を形成することにより、Cu上界面の界面密着性を向上し、Cu拡散を抑制することができる。 As one of countermeasures, a method of forming a copper silicide (CuSix) or copper silicon nitride (CuSiN) layer on the upper surface of the Cu wiring has been proposed. In the conventional structure, the interface between the Cu wiring and the interlayer insulating film is the main Cu diffusion path. By forming a CuSix or CuSiN layer on the surface of the Cu wiring, the interface adhesion at the Cu upper interface is improved. In addition, Cu diffusion can be suppressed.
そのCuSiN層を形成する手法の一つとして、最近、ガスクラスタ・イオンビーム(Gas Cluster Ion Beam:以下、GCIBと記す)照射が提案(例えば、特許文献1、非特許文献1、2を参照)されている。 As one method for forming the CuSiN layer, recently, gas cluster ion beam (hereinafter referred to as GCIB) irradiation has been proposed (see, for example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2). Has been.
上記のようなGCIB照射によりCu配線を形成する従来の半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら以下に説明する。
図4は従来の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
A conventional method for manufacturing a semiconductor device in which a Cu wiring is formed by GCIB irradiation as described above will be described below with reference to the drawings.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing each step in the conventional method of manufacturing a semiconductor device.
まず、シリコン基板(図示せず)上に低誘電率膜である炭素含有シリコン酸化膜(SiOC)からなる層形成絶縁膜としての第1の絶縁膜101に第1の金属配線溝パターンをフォトリソグラフィー法により形成し、ドライエッチ法により第1の絶縁膜101をエッチング除去し配線溝M1を形成する。
First, a first metal wiring groove pattern is formed on a first
その後、タンタル系バリアメタル102a、シードCu層をスパッタ法により成膜し、その後、電界めっき法によりCu膜102bを成膜し、N2雰囲気で300℃アニールを行った後、化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)法により第1のCu配線102を形成する(図4(a))。
Thereafter, a tantalum-based
次に、GCIB法によりシラン(SiH4)と窒素(N2)とヘリウム(He)からできたガスクラスタ・イオンビームを表面に照射する。この際、Cu表面が露出している部分はCuとSiH4とN2が反応しCuSiN103aが形成されるが、CuSiN103aでCu表面が覆われるとこんどはSiH4とN2が反応し、シリコンナイトライド(SiNx)膜103cが形成される。一方、第1の絶縁膜101上はSiOCとSiH4とN2の反応層103bが形成され、その後、SiNx膜103cが形成される(図4(b))。
Next, the surface is irradiated with a gas cluster ion beam made of silane (SiH 4 ), nitrogen (N 2 ), and helium (He) by the GCIB method. At this time, the portion where the Cu surface is exposed is Cu and SiH 4 and N 2 react with each CuSiN103a is formed, now the Cu surface is covered is the reaction SiH 4 and N 2 in CuSiN103a, silicon Knight A ride (SiNx)
このようにGCIB法では、Cu配線102上にCuSiN層103aが形成されると同時に、絶縁膜バリア層であるSiNx膜103cが連続的に形成されることになる。
その後、上層配線を形成するためのSiOCからなる層形成絶縁膜としての第2の絶縁膜104の形成を行い、通常のデュアルダマシン法によりビアホールH1(図4(c))及び配線溝M2(図4(d))を形成した後に、全面エッチによりビア底のSiNx膜103cを抜く(図4(e))。
As described above, in the GCIB method, the
Thereafter, the second
その後、第1のCu配線102と同様の形成方法で、第2のCu配線105を形成し、再度GCIB法によりCuSiN層106a、反応層106b、SiNx膜106cが形成される(図4(f))。
Thereafter, the
以上のような工程を繰り返すことにより多層配線を形成することができる。
しかしながら、上記のような従来の半導体装置の製造方法において利用されるGCIB法では、前述のように、CuSiN層103a上にSiNx膜103cが連続的にできるが、このGCIB法では、主にはガスクラスタ・イオンビームの衝突エネルギーをもとにSiH4とN2を反応させSiNx膜103cを形成しており、この形成の際はあくまで室温であるため、十分な分解・反応・結合が行われずに、密度が低くかつ原子間の結合が十分できていない膜質の悪いSiNx膜103cとなってしまう。
However, in the GCIB method used in the conventional method for manufacturing a semiconductor device as described above, the SiNx
以上のことに起因して、以下に示すようなさまざまな問題が発生していた。
SiNx膜103cの電気的なバリア性が不十分であり、第1のCu配線102と第2のCu配線105間の層間リークやTDDB(Time Dependent Dielectric BreakDown)が劣化してしまう。
Due to the above, various problems as shown below have occurred.
The electric barrier property of the SiNx
また、SiNx膜103cの膜質が良くないので、第1の絶縁膜101と反応層103bとSiNx膜103cとの界面も膜質が良くないものとなり、Cu配線102間の配線間リークやTDDBも劣化し、さらに密着性もあまり良くない。
Further, since the film quality of the SiNx
また、上層配線105形成時のビアホールH1形成のためのビアエッチ時に、このSiNx膜103cでビアホールH1の底部を止める必要があるが(図4(c)参照)、膜質があまり良くないので、通常のSiN等に比べエッチングレートが高くなり、止めることができないため、下層配線102のCuが露出してしまい、そのため、その後のアッシングや洗浄でCuが削れ、結果的には不良に至る。それを防ぐためにSiNx膜103cの膜厚を厚くすると、配線間容量が大きくなり配線遅延が大きくなる。
Further, it is necessary to stop the bottom of the via hole H1 with the SiNx
一方、これらの問題を防ぐため、SiNx膜103cを形成する前にGCIB照射を止める方法もある。しかしGCIBによるCuSiN103a形成は、Cu表面状態に大きく依存することと、ガスクラスタのサイズにもばらつきがあるため、ウェハ面内やウェハ間・ロット間で同じ膜厚のCuSiN103aを形成しようとした場合、それに必要なガスクラスタ・イオンビームの照射時間にばらつきが発生する。
On the other hand, in order to prevent these problems, there is a method of stopping the GCIB irradiation before forming the SiNx
従って、EM耐性の向上に必要な膜厚のCuSiN103aを確保するためには、照射時間にかなりのマージンを持っておく必要があるが、そうすると、ウェハ全面でSiNx103cを全く成膜させないのは、不可能である。 Therefore, in order to secure the CuSiN 103a having a film thickness necessary for improving the EM resistance, it is necessary to have a considerable margin in the irradiation time. In this case, it is not possible to form no SiNx 103c on the entire surface of the wafer. Is possible.
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、配線に十分なEM耐性を確保しつつ、配線層間・線間リークを低減しかつTDDB寿命を向上することができるとともに、ビアエッチの際に高選択比を確保して高信頼性な配線を得ることができる半導体装置およびその製造方法を提供する。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and while ensuring sufficient EM resistance for wiring, it can reduce wiring interlayer / line leakage and improve the TDDB life, and at the time of via etching. Provided are a semiconductor device and a method for manufacturing the same, which can ensure a high selection ratio and obtain highly reliable wiring.
上記の課題を解決するために、本発明の請求項1に記載の半導体装置は、半導体基板上の層形成絶縁膜に形成された配線溝と、前記配線溝を埋め込むように形成された導電体からなる膜と、前記導電体からなる膜の表面に形成された合金層と、前記合金層の上及び前記層形成絶縁膜の上に形成された窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜とを有し、前記合金層は、前記導電体とシリコンの合金層または前記導電体とシリコンと窒素の合金層であり、前記窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜は、前記層形成絶縁膜より高密度な膜であり、前記層形成絶縁膜内の上部には、窒素を含有した層が形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a semiconductor device according to claim 1 of the present invention includes a wiring groove formed in a layer forming insulating film on a semiconductor substrate, and a conductor formed so as to fill the wiring groove. And an alloy layer formed on the surface of the film made of the conductor, and an insulating barrier film containing nitrogen and silicon formed on the alloy layer and on the layer-forming insulating film. The alloy layer is an alloy layer of the conductor and silicon or an alloy layer of the conductor, silicon and nitrogen, and the insulating barrier film containing nitrogen and silicon has a higher density than the layer-forming insulating film. It is a film, and a layer containing nitrogen is formed in an upper part of the layer forming insulating film.
また、本発明の請求項2に記載の半導体装置は、請求項1に記載の半導体装置であって、前記絶縁性バリア膜は、SiNx膜又はSiCN膜又はSiCO膜及びSiCN膜の積層膜又はBNを有することを特徴とする。 A semiconductor device according to a second aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the insulating barrier film is a laminated film of a SiNx film, a SiCN film, a SiCO film, and a SiCN film, or BN. It is characterized by having.
また、本発明の請求項3に記載の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された層形成絶縁膜に配線溝を形成する工程(a)と、前記工程(a)の後に、前記配線溝内に導電体からなる膜を堆積させて配線を形成する工程(b)と、前記工程(b)の後に、前記導電体からなる膜の表面に前記導電体とシリコンまたは前記導電体とシリコンと窒素の合金層を形成し、前記合金層の上及び前記層形成絶縁膜の上に窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜を形成する工程(c)と、前記工程(c)の後に、前記窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜を前記層形成絶縁膜より高密度になるように処理する工程(d)とを有することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device comprising: a step (a) of forming a wiring trench in a layer-forming insulating film formed on a semiconductor substrate; and the step (a), A step (b) of forming a wiring by depositing a film made of a conductor in the wiring groove; and after the step (b), the conductor and the silicon or the conductor on the surface of the film made of the conductor. A step (c) of forming an alloy layer of silicon and nitrogen, and forming an insulating barrier film containing nitrogen and silicon on the alloy layer and the layer-forming insulating film, and after the step (c), And a step (d) of treating the insulating barrier film containing nitrogen and silicon so as to have a higher density than the layer-forming insulating film.
また、本発明の請求項4に記載の半導体装置の製造方法は、請求項3に記載の半導体装置の製造方法であって、前記工程(d)は、UVキュアまたはEBキュアまたはアニールまたはプラズマ処理により実行することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the third aspect, wherein the step (d) includes UV curing, EB curing, annealing, or plasma processing. It is characterized by performing by.
また、本発明の請求項5に記載の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された層形成絶縁膜に配線溝を形成する工程(a)と、前記工程(a)の後に、前記配線溝内に導電体からなる膜を堆積させて配線を形成する工程(b)と、前記工程(b)の後に、前記導電体からなる膜の表面に前記導電体とシリコン又は前記導電体とシリコンと窒素の合金層を形成し、前記合金層の上及び前記層形成絶縁膜の上に窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜を形成する工程(c)と、前記工程(c)の後に、前記窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜を除去する工程(d)とを有することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method comprising: a step (a) of forming a wiring trench in a layer forming insulating film formed on a semiconductor substrate; and the step (a), A step (b) of forming a wiring by depositing a film made of a conductor in a wiring groove; and after the step (b), the conductor and silicon or the conductor on the surface of the film made of the conductor. A step (c) of forming an alloy layer of silicon and nitrogen, and forming an insulating barrier film containing nitrogen and silicon on the alloy layer and the layer-forming insulating film, and after the step (c), And (d) removing the insulating barrier film containing nitrogen and silicon.
また、本発明の請求項6に記載の半導体装置の製造方法は、請求項5に記載の半導体装置の製造方法であって、前記工程(d)の後に、前記合金層及び前記層形成絶縁膜の上に絶縁性バリア膜を形成する工程(e)とを有することを特徴とする。
The semiconductor device manufacturing method according to claim 6 of the present invention is the semiconductor device manufacturing method according to
また、本発明の請求項7に記載の半導体装置の製造方法は、請求項6に記載の半導体装置の製造方法であって、前記工程(e)は、プラズマCVD法により実行することを特徴とする。 The semiconductor device manufacturing method according to claim 7 of the present invention is the semiconductor device manufacturing method according to claim 6, wherein the step (e) is performed by a plasma CVD method. To do.
また、本発明の請求項8に記載の半導体装置の製造方法は、請求項3〜請求項7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、前記工程(c)は、ガスクラスタ・イオンビームの照射により実行することを特徴とする。 A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8 of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 3 to 7, wherein the step (c) It is performed by irradiation with an ion beam.
また、本発明の請求項9に記載の半導体装置の製造方法は、請求項8に記載の半導体装置の製造方法であって、前記ガスクラスタ・イオンビーム照射と、前記UVキュアまたは前記EBキュアまたは前記アニールまたはプラズマ処理は、同一装置内で連続して実行することを特徴とする。 A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9 of the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the gas cluster ion beam irradiation, the UV cure or the EB cure or The annealing or plasma treatment is continuously performed in the same apparatus.
また、本発明の請求項10に記載の半導体装置の製造方法は、請求項4または請求項9に記載の半導体装置の製造方法であって、前記プラズマ処理は、不活性ガスもしくは窒素を含むガスを用いて実行することを特徴とする。
The semiconductor device manufacturing method according to claim 10 of the present invention is the semiconductor device manufacturing method according to
また、本発明の請求項11に記載の半導体装置の製造方法は、請求項8〜請求項10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、前記ガスクラスタ・イオンビームは、シラン、窒素、アンモニア、ヘリウムのいずれかのガスクラスタ・イオンを用いて形成することを特徴とする。 In addition, a semiconductor device manufacturing method according to an eleventh aspect of the present invention is the semiconductor device manufacturing method according to any one of the eighth to tenth aspects, wherein the gas cluster ion beam includes silane, It is formed by using any gas cluster ion of nitrogen, ammonia, or helium.
また、本発明の請求項12に記載の半導体装置の製造方法は、請求項6に記載の半導体装置の製造方法であって、前記絶縁性バリア膜は、SiNx膜又はSiCN膜又はSiCO膜及びSiCN膜の積層膜又はBNを有することを特徴とする。 A semiconductor device manufacturing method according to claim 12 of the present invention is the semiconductor device manufacturing method according to claim 6, wherein the insulating barrier film is a SiNx film, a SiCN film, a SiCO film, and a SiCN. It has a stacked film of films or BN.
以上のように本発明によれば、配線上にガスクラスタ・イオンビームを照射してCuSiN層を形成することにより、配線のEM耐性を向上するとともに、高密度で高品質な絶縁膜バリアを形成することができる。 As described above, according to the present invention, a CuSiN layer is formed by irradiating a gas cluster / ion beam on the wiring, thereby improving the EM resistance of the wiring and forming a high-density and high-quality insulating film barrier. can do.
そのため、配線に十分なEM耐性を確保しつつ、配線層間・線間リークを低減しかつTDDB寿命を向上することができるとともに、ビアエッチの際に高選択比を確保して高信頼性な配線を得ることができる。 Therefore, while ensuring sufficient EM resistance for wiring, it is possible to reduce wiring interlayer / line-to-line leakage and improve TDDB life, and to secure a high selection ratio during via etching and to provide highly reliable wiring. Obtainable.
以下、本発明の実施の形態を示す半導体装置およびその製造方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお<>には代表的な膜厚や寸法を記載する。
本実施の形態の半導体装置の製造方法は、基本工程として、半導体基板上に形成された層形成絶縁膜に溝パターンを形成する工程と、前記層形成絶縁膜の上層にバリア層および銅を主成分とした膜を順次形成する工程と、前記銅を主成分とした膜の表面および前記バリア層の露出した表面を化学的機械研磨法によって平坦化し、前記溝パターン内にのみ前記銅を主成分とした膜および前記バリア層を残置させる工程と、ガスクラスタ・イオンビームを照射し、前記溝パターンに埋め込まれた銅を主成分とした膜上に銅とシリコンまたは銅とシリコンと窒素の合金層と、その上に全面に窒化シリコン膜を形成する工程と、UVキュアまたはEBキュアまたはアニールまたはプラズマ処理を行う工程とを備えている。
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. Note that <> indicates a representative film thickness or dimension.
The manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment includes, as basic steps, a step of forming a groove pattern in a layer-forming insulating film formed on a semiconductor substrate, and a barrier layer and copper as the upper layer of the layer-forming insulating film. A step of sequentially forming a film as a component, and a surface of the film containing copper as a main component and an exposed surface of the barrier layer are planarized by a chemical mechanical polishing method, and the copper as a main component only in the groove pattern A step of leaving the film and the barrier layer, and an alloy layer of copper and silicon or copper and silicon and nitrogen on the film mainly composed of copper embedded in the groove pattern by irradiation with a gas cluster ion beam And a step of forming a silicon nitride film on the entire surface thereof, and a step of performing UV cure, EB cure, annealing or plasma treatment.
また、他の製造方法における基本工程として、半導体基板上に形成された層形成絶縁膜に溝パターンを形成する工程と、前記層形成絶縁膜の上層にバリア層および銅を主成分とした膜を順次形成する工程と、前記銅を主成分とした膜の表面および前記バリア層の露出した表面を化学的機械研磨法によって平坦化し、前記溝パターン内にのみ前記銅を主成分とした膜および前記バリア層を残置させる工程と、ガスクラスタ・イオンビームを照射し、前記溝パターンに埋め込まれた銅を主成分とした膜上に銅とシリコンまたは銅とシリコンと窒素の合金層と、その上に窒化シリコン膜を形成する工程と、ウェットエッチングにより前記窒化シリコン膜を除去する工程とを備えている。
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1の半導体装置およびその製造方法を説明する。
In addition, as a basic process in another manufacturing method, a step of forming a groove pattern in a layer-forming insulating film formed on a semiconductor substrate, and a barrier layer and a film mainly composed of copper are formed on the layer-forming insulating film. A step of sequentially forming the surface of the copper-based film and the exposed surface of the barrier layer by chemical mechanical polishing, the copper-based film only in the groove pattern, and A step of leaving the barrier layer; irradiation with a gas cluster ion beam; and a copper-silicon or copper-silicon-nitrogen alloy layer on the copper-based film embedded in the groove pattern; The method includes a step of forming a silicon nitride film and a step of removing the silicon nitride film by wet etching.
(Embodiment 1)
Hereinafter, the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention will be described.
図1は本実施の形態1の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
まず、シリコン基板(図示せず)上に低誘電率膜である炭素含有シリコン酸化膜(SiOC)からなる層形成絶縁膜としての第1の絶縁膜1<150nm>及びプラズマ酸化膜(図示せず)<30nm>を成膜する。その後、第1の金属配線溝パターンをフォトリソグラフィー法により形成し、ドライエッチ法によりプラズマ酸化膜と第1の絶縁膜1をトータル170nmまでエッチング除去し配線溝M1を形成する。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing each step in the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment.
First, a first insulating film 1 <150 nm> as a layer forming insulating film made of a carbon-containing silicon oxide film (SiOC) which is a low dielectric constant film on a silicon substrate (not shown) and a plasma oxide film (not shown). ) <30 nm> is formed. Thereafter, a first metal wiring groove pattern is formed by a photolithography method, and the plasma oxide film and the first insulating film 1 are etched away to a total of 170 nm by a dry etching method to form a wiring groove M1.
その後、タンタル系バリアメタル2a<15nm>、シードCu層<30nm>をスパッタ法により成膜し、その後、電界めっき法によりCu膜2b<400nm>を成膜し、N2雰囲気でアニール<300℃>を行った後に、CMP法により配線溝M1内以外のCu膜2b、バリアメタル2aを除去すると共に、プラズマ酸化膜の全てとSiOC膜1の表面を20nm削り取り、第1のCu配線2<高さ:120nm>を形成する(図1(a))。
Thereafter, a tantalum-based
次に、GCIB法によりSiH4とN2とHeからできたガスクラスタ・イオンビームを表面に照射する。この際に、Cu表面が露出している部分はCuとSiH4とN2が反応しCuSiN層3aが形成されるが、CuSiN層3aでCu表面が覆われるとこんどはSiH4とN2が反応し、シリコンナイトライド(SiNx)膜3c<30nm>が形成される。一方、第1の絶縁膜1上は、SiOCとSiH4とN2の反応層3bが形成され、その後、SiNx膜3cが形成される(図1(b))。
Next, the surface is irradiated with a gas cluster ion beam made of SiH 4 , N 2 and He by the GCIB method. At this time, although the portion where the Cu surface are exposed
その後、UVキュアを施し、SiNx膜3cを高密度化させ、SiNx膜3dとする(図1(c))。
その後、上層配線を形成するためのSiOCからなる層形成絶縁膜としての第2の絶縁膜4<240nm>とプラズマ酸化膜5<80nm>を成膜する。その後、通常のデュアルダマシン法によりフォトリソグラフィー法及びドライエッチ法およびアッシングと洗浄により、ビアホールH1(図1(d))を形成する。この際のビアエッチはSiNx膜3dを完全に抜かないようにする。
Thereafter, UV curing is performed to increase the density of the
Thereafter, a second
その後、ビアホールH1をレジストプラグで埋め込み平坦化した後に、フォトリソグラフィー法とドライエッチ法及びアッシングと洗浄により配線溝M2(図1(e))を形成し、その後、全面エッチによりビアホールH1の底部のSiNx膜3dを抜き、洗浄を行う(図1(f))。この全面エッチの際に、表面のプラズマ酸化膜5も<50nm>削れる。またこの際に、ビアホールH1の底部のCuSiN層3aについては、抜いても抜かなくても良い。
After that, the via hole H1 is filled and flattened with a resist plug, and then a wiring trench M2 (FIG. 1 (e)) is formed by photolithography, dry etching, ashing and cleaning, and then the entire bottom surface of the via hole H1 is etched. The
その後、ビアホールH1の底部のCu上の酸化膜を還元するためにH2雰囲気中でのアニールを行い、大気開放せず、タンタル系バリアメタル6a<15nm>、シードCu層<30nm>をスパッタ法により成膜し、その後、電界めっき法によりCu膜6b<400nm>を成膜し、N2雰囲気でアニール<300℃>を行った後に、CMP法により配線溝M2内以外のCu膜6b、バリアメタル6aを除去すると共に、プラズマ酸化膜5の全てとSiOC膜4の表面を20nm削り取り、第2のCu配線6<高さ:120nm>を形成する。
Thereafter, annealing in an H 2 atmosphere is performed to reduce the oxide film on Cu at the bottom of the via hole H1, and the tantalum-based
その後、再度、GCIB法によりCuSiN層7a、反応層7b、SiNx膜を形成し、更にUVキュアを行い、高密度化したSiNx膜7dを形成する(図1(g))。以上のような工程を繰り返すことにより、多層配線を形成することができる。
Thereafter, the
以上の実施の形態1によると、GCIB法により形成されたSiNx膜がUVキュアにより高密度化できるため、良好な膜質のSiNx膜3d、7dが得られる。従って、SiNx膜のバリア性が十分確保できるため、第1のCu配線2と第2のCu配線6間の層間リークが低減できると共に、TDDB寿命を改善することができる。ここでいう、SiNx膜のバリア性とは、Cu拡散及び水分に対するバリア性である。
According to the first embodiment described above, since the SiNx film formed by the GCIB method can be densified by UV curing,
また同時に、第1の絶縁膜1と反応層3bとSiNx膜3dとの界面についても、膜質も向上するので、第1のCu配線2間及び第2のCu配線6間の各配線間リークは低減し、TDDB寿命も向上すると共に、層および膜間の密着性も向上する。
At the same time, the film quality of the interface between the first insulating film 1, the
また、上層配線形成時のビアホール形成のためのビアエッチ時に(図1(d)参照)、このSiNx膜3dは高密度な膜になるので、第2の絶縁膜4と高いエッチング選択比を確保できるため、良好なコンタクト特性を確保できつつ、SiNx膜の膜厚も薄くできるため、配線間の実効誘電率を低くでき、配線遅延の低減が可能となる。
In addition, since the
なお、本実施の形態1では、SiNx膜の高密度化にUVキュアを用いたが、EB(Electron Beam)キュア、300〜400℃程度(300〜400℃程度であることが好ましいが、500℃以下でればプロセス工程上構わない。)のアニール(ファーネスアニール、枚葉アニール、レーザーアニール等)、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)ガス等の希ガスを使ったプラズマ処理による高密度化処理を適用しても良い。これらは、いずれも熱エネルギーや、イオン・電子による衝突エネルギー、紫外線などの光エネルギーにより、SiNx膜の脱・重合反応を促進することにより、高密度化・原子間結合を促進できる。ここで、UVキュアにより、SiNx膜は、誘電率の低い層間絶縁膜(例えば、SiOC膜(密度:1.2kg/m−3以下))よりも密度の高い膜となっている。低誘電率絶縁膜は、一般的に空孔率が高いことが知られている。そのため、低誘電率絶縁膜は、密度が低い。SiNx膜は、UVキュアにより、密度が高くなっている(密度:2.2〜3.0kg/m−3)が、少なくとも低誘電率絶縁膜の密度よりは高くなっている。ここで、低誘電率な層間絶縁膜としては、SiOC膜に限られることはない。 In the first embodiment, UV cure is used to increase the density of the SiNx film. However, EB (Electron Beam) cure, about 300 to 400 ° C. (preferably about 300 to 400 ° C. is preferable, but 500 ° C. Density treatment by plasma treatment using rare gas such as annealing (furnace annealing, single wafer annealing, laser annealing, etc.), helium (He), argon (Ar) gas, etc. May be applied. All of these can promote densification and interatomic bonding by accelerating the de-polymerization reaction of the SiNx film by thermal energy, collision energy due to ions / electrons, and light energy such as ultraviolet rays. Here, due to UV curing, the SiNx film is a film having a higher density than an interlayer insulating film having a low dielectric constant (for example, a SiOC film (density: 1.2 kg / m −3 or less)). It is known that a low dielectric constant insulating film generally has a high porosity. Therefore, the low dielectric constant insulating film has a low density. The SiNx film has a higher density due to UV curing (density: 2.2 to 3.0 kg / m −3 ), but is at least higher than the density of the low dielectric constant insulating film. Here, the interlayer dielectric film having a low dielectric constant is not limited to the SiOC film.
また、窒素(N2)ガスやアンモニア(NH3)ガス等の反応性ガスを使ったプラズマ処理により、SiNx膜の未反応部分の反応・結合を促進させても良い。反応性ガスを使うことにより、上記の熱・衝突・光エネルギー以外に、未結合種に窒素(N)を反応させることによっても、結合促進と高密度化を行うことができる。またそれらを組み合わせて繰り返し適用しても良い。 Further, the reaction / bonding of the unreacted portion of the SiNx film may be promoted by plasma treatment using a reactive gas such as nitrogen (N 2 ) gas or ammonia (NH 3 ) gas. By using a reactive gas, in addition to the heat, collision, and light energy described above, bonding promotion and densification can be performed by reacting nitrogen (N) with unbound species. Moreover, you may apply repeatedly combining them.
ちなみにHeプラズマの条件例としては、200mmウェハ対応装置では、
He:180sccm、圧力:560Pa
RFパワー:1550W
ウェハ温度:400℃
NH3プラズマの条件例としては、200mmウェハ対応装置では、
NH3:300sccm、圧力:530Pa
He:100sccm、圧力:530Pa
RFパワー:400W
ウェハ温度:400℃
また、通常はGCIBを行った後に、別装置で上記UVキュア、EBキュア、アニール、プラズマ処理等の処理を行う。しかし、GCIBは照射スポットが小さいため、ウェハをスキャンさせてウェハ全面に照射する必要があり、スループットがあまり高く無い。
By the way, as an example of He plasma conditions,
He: 180 sccm, pressure: 560 Pa
RF power: 1550W
Wafer temperature: 400 ° C
As an example of NH 3 plasma conditions, in a 200 mm wafer compatible device,
NH 3 : 300 sccm, pressure: 530 Pa
He: 100 sccm, pressure: 530 Pa
RF power: 400W
Wafer temperature: 400 ° C
In addition, after GCIB is performed, the above-described UV curing, EB curing, annealing, plasma processing, and the like are performed by another apparatus. However, since GCIB has a small irradiation spot, it is necessary to scan the wafer and irradiate the entire surface of the wafer, and the throughput is not so high.
また、GCIB照射してからUVキュア等をするまでの放置時間が場所により違うことになるため、その放置時間によりウェハ内で場所により若干の膜質が変わる可能性もある。 In addition, since the standing time from the GCIB irradiation to the UV curing or the like varies depending on the location, the film quality may slightly change depending on the location within the wafer depending on the standing time.
それらの対策として、図2に示す装置を利用することにより、上記の問題を解決することができる。
この装置は、図2に示すように、11〜18に示す部分がGCIB装置に相当する部分であり、19〜21に示す部分がEBキュア装置に相当する部分であり、ステージ17上に搭載したウェハ16上でGCIB照射後に連続的にEBを照射することができる。
As a countermeasure, the above problem can be solved by using the apparatus shown in FIG.
In this apparatus, as shown in FIG. 2, the parts shown in 11 to 18 are parts corresponding to the GCIB apparatus, the parts shown in 19 to 21 are parts corresponding to the EB cure apparatus, and are mounted on the
GCIB装置は、ガスクラスターノズル11、イオナイザー12、加速用高電圧電極13、ビームニュートライザー14、アパーチャー15からなり、ガスクラスタービーム18をステージ17上のウェハ16に照射する。ステージをスキャンすることにより、ウェハ全面にガスクラスタービーム18を照射することができる。EBキュア装置は、EBチューブ19から発生した電子ビーム22を、アパーチャー20で絞った後、偏向マグネット21で方向を制御し、所望のウェハ16上に照射する。
The GCIB apparatus includes a
以上のように、GCIBとEBキュアを組み合わせた装置でウェハをスキャンすれば、GCIBとEBキュアが連続して照射できるため、GCIBによりCuSiNとSiNxを成膜した後、すぐにEBキュアを照射でき、GCIBとEBキュアを合わせた処理時間が低減でき、スループットも向上すると共に、GCIBからEBキュアまでの放置時間が場所に寄らず一定のため、ウェハ内で均質な膜質を実現できる。 As described above, if the wafer is scanned with an apparatus that combines GCIB and EB cure, GCIB and EB cure can be continuously irradiated. Therefore, after depositing CuSiN and SiNx by GCIB, EB cure can be irradiated immediately. In addition, the processing time of combining GCIB and EB cure can be reduced, the throughput can be improved, and the standing time from GCIB to EB cure is constant regardless of the location, so that a uniform film quality can be realized in the wafer.
また、GCIBからEBキュアの間を大気に出すこともないので、水分吸着等の影響による膜質変動もなく、良好な膜質を得ることができる。
同様に、GCIBとUVキュア、GCIBとレーザーアニール、GCIBとプラズマ処理の組み合わせに関しても、同一装置で行うことにより、同様な効果を得ることができる。
Moreover, since the space between GCIB and EB cure is not exposed to the atmosphere, there is no film quality fluctuation due to the influence of moisture adsorption or the like, and a good film quality can be obtained.
Similarly, the same effect can be obtained by using the same apparatus for the combination of GCIB and UV cure, GCIB and laser annealing, and GCIB and plasma treatment.
また、ステージにヒーターを入れることにより、GCIB後、すぐにかつ大気開放せずにアニールをすることも可能である。
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2の半導体装置およびその製造方法を説明する。
In addition, annealing can be performed immediately after GCIB without opening to the atmosphere by putting a heater on the stage.
(Embodiment 2)
Next, the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described.
図3は本実施の形態2の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
実施の形態1の図1(a)と同様に、シリコン基板上に低誘電率膜である炭素含有シリコン酸化膜(SiOC)からなる層形成絶縁膜としての第1の絶縁膜1と、タンタル系バリアメタル2a、Cu膜2bからなる第1のCu配線2を形成する(図3(a))。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing each step in the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment.
As in FIG. 1A of the first embodiment, a first insulating film 1 as a layer forming insulating film made of a carbon-containing silicon oxide film (SiOC) that is a low dielectric constant film on a silicon substrate, and a tantalum-based film A
次に、GCIB法によりSiH4とN2とHeからできたガスクラスタ・イオンビームを表面に照射する。この際に、Cu表面が露出している部分はCuとSiH4とN2が反応しCuSiN層33aが形成されるが、そのようにCuSiN層でCu表面が覆われると、こんどはSiH4とN2が反応し、シリコンナイトライド(SiNx)膜33cが形成される。一方、第1の絶縁膜1上はSiOCとSiH4とN2の反応層33bが形成され、その後に、SiNx膜33cが形成される(図3(b))。
Next, the surface is irradiated with a gas cluster ion beam made of SiH 4 , N 2 and He by the GCIB method. In this case, the portion where the Cu surface is exposed is Cu and SiH 4 and N 2 are the reaction was
その後、ウェットエッチにより上記のSiNx膜33cを除去する(図3(c))。この際に用いる薬液として例えばHF系を用いれば、CuSiN層33aやCu膜2b、タンタル系バリアメタル2a、SiOCからなる第1の絶縁膜1と選択比を確保しながら、SiNx膜33cを確実に除去することが可能である。
Thereafter, the
その後、NH3プラズマ処理を行った後に、SiCO(上)/SiCN(下)等やSiNxのライナー膜33d<30nm>をプラズマCVD法で成膜する(図3(d))。
その後、実施の形態1と同様に、上層配線を形成するためのSiOCからなる層形成絶縁膜としての第2の絶縁膜4<240nm>とプラズマ酸化膜5<80nm>を成膜する。その後、通常のデュアルダマシン法によりフォトリソグラフィー法及びドライエッチ法およびアッシングと洗浄により、ビアホールH1(図3(e))を形成する。この際に、ビアエッチはライナー膜33dを完全に抜かないようにする。
Thereafter, after NH 3 plasma treatment, a
Thereafter, in the same manner as in the first embodiment, a second
その後、ビアホールH1をレジストプラグで埋め込み平坦化した後に、フォトリソグラフィー法とドライエッチ法及びアッシングと洗浄により、配線溝M2(図3(f))を形成し、その後に、全面エッチによりビアホールH1の底部のライナー膜33dを抜き、洗浄を行う(図3(g))。この全面エッチの際に、表面のプラズマ酸化膜5も<50nm>削れる。またこの際には、ビアホールH1の底部のCuSiN層33aは抜いても抜かなくても良い。
After that, the via hole H1 is filled with a resist plug and planarized, and then a wiring trench M2 (FIG. 3F) is formed by photolithography, dry etching, ashing, and cleaning, and then the entire surface of the via hole H1 is etched. The
その後、ビアホールH1底部のCu上の酸化膜を還元するためにH2雰囲気中でのアニールを行い、大気開放せず、タンタル系バリアメタル6a<15nm>、シードCu層<30nm>をスパッタ法により成膜し、その後に、電界めっき法によりCu膜6b<400nm>を成膜し、N2雰囲気でアニール<300℃>を行った後、CMP法により配線溝M2内以外のCu膜6b、バリアメタル6aを除去すると共に、プラズマ酸化膜5の全てとSiOC膜の表面を20nm削り取り、第2のCu配線6<高さ:120nm>を形成する。
Thereafter, annealing in an H 2 atmosphere is performed to reduce the oxide film on Cu at the bottom of the via hole H1, and the tantalum-based
その後、再度GCIB法によりCuSiN層37a、反応層37b、SiNx膜を形成し、ウェットエッチでSiNx膜を除去し、その後、NH3プラズマ処理を行った後に、SiCN単層膜やSiCO(上)/SiCN(下)等の積層膜やSiNxのライナー膜37d<30nm>やBN(ボロンナイトライド)膜をプラズマCVD法で成膜する(図3(h))。以上のような工程を繰り返すことにより多層配線を形成することができる。ここで、SiCO膜はSiベースでOが結合したものである。また、SiOC膜はSi−Oの骨格がベースで、Si−Oの骨格に−CH3基がついたものであるSiOC膜の方が、SiCO膜よりも骨格ベースの違いにより、密度が小さくなっている。
Thereafter, the
GCIB法によれば、CuSiN層形成の時間がCu表面状態に大きく依存する。従ってCu表面状態のばらつきにより、所望のCuSiN層を形成するまでの時間等が場所によりばらつくため、ウェハ全面で所望のCuSiN層を確保しようとすると、膜質の悪いSiNx膜ができてしまうところが必ず存在すると共に、その膜厚もばらつく(図3(b)参照)。 According to the GCIB method, the CuSiN layer formation time greatly depends on the Cu surface state. Therefore, due to variations in the Cu surface state, the time until the desired CuSiN layer is formed varies depending on the location. Therefore, when the desired CuSiN layer is secured over the entire wafer surface, there is always a place where a SiNx film with poor film quality can be formed. In addition, the film thickness varies (see FIG. 3B).
しかし、上記実施の形態2によると、GCIB法により余分に形成された膜質が悪く膜厚ばらつきのあるSiNx膜33cを除去でき、プラズマCVD法により新たに膜質が良く膜厚均一性の良いライナー膜33dを形成することができる。
However, according to the second embodiment, it is possible to remove the
従って、ライナー膜33d、37dのバリア性が十分確保できるため、第1のCu配線2と第2のCu配線6間の層間リークが低減できると共に、TDDB寿命が改善する。また同時に第1の絶縁膜1と反応層33bとSiNx層33dとの界面についても膜質が向上するので、第1のCu配線2間及び第2のCu配線6間の配線間リークは低減し、TDDB寿命も向上すると共に、密着性も向上する。
Therefore, since the barrier properties of the
また、上層配線形成時のビアホール形成のためのビアエッチ時に(図3(e)参照)、このライナー膜33dは高密度な膜になるので、第2の絶縁膜4と高いエッチング選択比を確保できるため、良好なコンタクト特性を確保できつつ、ライナー膜33d、37dの膜厚も薄くできるため、配線間の実効誘電率を低くでき、配線遅延の低減が可能となる。
In addition, since the
ちなみに、従来例では、SiOCとSiH4とN2の反応層103bと、その上のSiNx膜103cは連続的に徐々に成分が変化する構造になっているが、本実施の形態で仕上がった構造では、SiOCとSiH4とN2の反応層33bとライナー膜33dは連続的にはなっていないため、界面がはっきりした構造になっている。
Incidentally, in the conventional example, the
なお、実施の形態1で行ったGCIB照射によるSiNx膜形成後、UVキュア等を施した後に、上記ウェットエッチを行い、十分高密度化されず残留したSiNx膜を除去する手法も、膜質を向上するのに十分に有効である。 In addition, after forming the SiNx film by GCIB irradiation performed in the first embodiment, after performing UV curing or the like, the above-described wet etching is performed to remove the remaining SiNx film that is not sufficiently densified, thereby improving the film quality. It is effective enough to do.
本発明の半導体装置およびその製造方法は、配線に十分なEM耐性を確保しつつ、配線層間・線間リークを低減しかつTDDB寿命を向上することができるとともに、ビアエッチの際に高選択比を確保して高信頼性な配線を得ることができるもので、配線上に導電体キャップ膜を形成して信頼性を向上させる技術等に有用である。 The semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention can reduce the leakage between the wiring layers and between the lines and improve the TDDB life while ensuring sufficient EM resistance for the wiring, and also provide a high selection ratio at the time of via etching. It is possible to secure a highly reliable wiring, and it is useful for a technique for improving reliability by forming a conductor cap film on the wiring.
1 第1の絶縁膜
2 第1のCu配線
2a タンタル系バリアメタル
2b Cu膜
3a、33a CuSiN層
3c、33c シリコンナイトライド(SiNx)膜
3b、33b 反応層
3d (高密度化した)SiNx膜
33d、37d (高密度化した)SiNxのライナー膜
4 第2の絶縁膜
5 プラズマ酸化膜
6 第2のCu配線
6a タンタル系バリアメタル
6b Cu膜
7a、37a CuSiN層
7b、37b 反応層
7d (高密度化した)SiNx膜
M1、M2 配線溝
H1 ビアホール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (12)
前記配線溝を埋め込むように形成された導電体からなる膜と、
前記導電体からなる膜の表面に形成された合金層と、
前記合金層の上及び前記層形成絶縁膜の上に形成された窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜とを有し、
前記合金層は、前記導電体とシリコンの合金層または前記導電体とシリコンと窒素の合金層であり、
前記窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜は、前記層形成絶縁膜より高密度な膜であり、
前記層形成絶縁膜内の上部には、窒素を含有した層が形成されている
ことを特徴とする半導体装置。 A wiring groove formed in a layer forming insulating film on the semiconductor substrate;
A film made of a conductor formed so as to fill the wiring trench;
An alloy layer formed on the surface of the film made of the conductor;
An insulating barrier film containing nitrogen and silicon formed on the alloy layer and on the layer-forming insulating film;
The alloy layer is an alloy layer of the conductor and silicon or an alloy layer of the conductor, silicon and nitrogen,
The insulating barrier film containing nitrogen and silicon is a film having a higher density than the layer forming insulating film,
A semiconductor device, wherein a layer containing nitrogen is formed in an upper portion of the layer forming insulating film.
前記工程(a)の後に、前記配線溝内に導電体からなる膜を堆積させて配線を形成する工程(b)と、
前記工程(b)の後に、前記導電体からなる膜の表面に前記導電体とシリコンまたは前記導電体とシリコンと窒素の合金層を形成し、前記合金層の上及び前記層形成絶縁膜の上に窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜を形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後に、前記窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜を前記層形成絶縁膜より高密度になるように処理する工程(d)とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a wiring groove in a layer-forming insulating film formed on the semiconductor substrate;
A step (b) of forming a wiring by depositing a film made of a conductor in the wiring groove after the step (a);
After the step (b), an alloy layer of the conductor and silicon or the conductor and silicon and nitrogen is formed on the surface of the film made of the conductor, and is formed on the alloy layer and the layer forming insulating film. Forming an insulating barrier film containing nitrogen and silicon on (c),
And a step (d) of processing the insulating barrier film containing nitrogen and silicon so as to have a higher density than the layer-forming insulating film after the step (c). .
前記工程(a)の後に、前記配線溝内に導電体からなる膜を堆積させて配線を形成する工程(b)と、
前記工程(b)の後に、前記導電体からなる膜の表面に前記導電体とシリコン又は前記導電体とシリコンと窒素の合金層を形成し、前記合金層の上及び前記層形成絶縁膜の上に窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜を形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後に、前記窒素及びシリコンを含む絶縁性バリア膜を除去する工程(d)とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a wiring groove in a layer-forming insulating film formed on the semiconductor substrate;
A step (b) of forming a wiring by depositing a film made of a conductor in the wiring groove after the step (a);
After the step (b), an alloy layer of the conductor and silicon or the conductor and silicon and nitrogen is formed on the surface of the film made of the conductor, and the alloy layer and the layer-forming insulating film are formed. Forming an insulating barrier film containing nitrogen and silicon on (c),
And (d) removing the insulating barrier film containing nitrogen and silicon after the step (c).
前記UVキュアまたは前記EBキュアまたは前記アニールまたはプラズマ処理は、
同一装置内で連続して実行する
ことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 The gas cluster ion beam irradiation;
The UV cure or the EB cure or the annealing or plasma treatment
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the method is continuously executed in the same device.
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