JP2009170665A - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ダマシン法により形成されたCu配線を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a Cu wiring formed by a damascene method and a method for manufacturing the semiconductor device.
近年、半導体集積回路の高集積化とチップサイズの縮小化とに伴い、配線またはビアプラグの微細化及び多層化が進められている。しかし、配線またはビアプラグを微細化すると、埋め込み不良の発生およびEM(Electro Migration)等の信頼性の劣化などが問題となる。そこで、現在、Cu原子の酸化膜中への拡散を防止するためのバリアメタル膜材料としてRuが提唱されており、RuはCuとの濡れ性が良いので、バリアメタル膜材料としてRuを用いると埋め込み特性の向上および信頼性の向上が可能である。 In recent years, along with high integration of semiconductor integrated circuits and reduction in chip size, miniaturization and multilayering of wirings or via plugs have been promoted. However, when wirings or via plugs are miniaturized, problems such as generation of embedding defects and deterioration of reliability such as EM (Electro Migration) occur. Therefore, Ru is currently proposed as a barrier metal film material for preventing diffusion of Cu atoms into the oxide film. Since Ru has good wettability with Cu, Ru is used as the barrier metal film material. It is possible to improve the embedding characteristic and the reliability.
バリアメタル膜材料としてRuを使用することは、特許文献1に記載されている。以下、特許文献1に記載されている半導体装置について、図4を用いて説明する。 The use of Ru as a barrier metal film material is described in Patent Document 1. Hereinafter, the semiconductor device described in Patent Document 1 will be described with reference to FIG.
図4は、特許文献1に記載されている半導体装置の製造方法によって形成された半導体装置を示す断面図である。この半導体装置では、半導体基板上(図示せず)に絶縁膜401が形成されており、絶縁膜401にはビアホール(図示せず)が形成されている。ビアホールの側壁及び底部には、Ta膜406a/WNC膜406b/Ru膜406cの積層構造からなるバリアメタル膜406が形成されており、そのバリアメタル膜406の上には、ビアホールを埋め込むようにCu膜409が形成されている。これにより、ビアホール内には、バリアメタル膜406及びCu膜409からなるビア411が形成されている。また、絶縁膜401およびビア411の上にはエッチング阻止膜403が形成されている。エッチング阻止膜403の上には絶縁膜404が形成されており、絶縁膜404の上には保護絶縁膜405が形成されている。エッチング阻止膜403、絶縁膜404及び保護絶縁膜405には、ビア411に接続された配線溝(図示せず)が形成されている。配線溝の側壁及び底部には、Ta膜407a/WNC膜407b/Ru膜407cの積層構造からなるバリアメタル膜407が形成されている。Ta膜407a/WNC膜407b/Ru膜407cの積層構造からなるバリアメタル膜407の上には、配線溝を埋め込むようにCu膜410が形成されている。これにより、配線溝内には、Ta膜407a/WNC膜407b/Ru膜407cの積層構造からなるバリアメタル膜407及びCu膜410からなる配線412が形成されている。
しかしながら、特許文献1に開示されている製造方法により形成された半導体装置のバリアメタル膜に使用されるRuの特性には、以下のような課題がある。つまり、バリアメタル膜406,407の材料として使用するRuはCuとの濡れ性が良いという利点を有しているものの、Ru自体が多結晶であるためにCu原子の層間絶縁膜中への拡散に対するバリア性は乏しいという課題である。以上のことから、特許文献1に開示されている半導体装置では、Cu原子の絶縁膜中への拡散により半導体装置の信頼性が劣化するという問題が生じる。
However, the characteristics of Ru used for the barrier metal film of the semiconductor device formed by the manufacturing method disclosed in Patent Document 1 have the following problems. That is, although Ru used as a material for the
本発明は、微細パターンのCuの埋め込み特性を向上しつつCuの層間絶縁膜中への拡散を抑制することを目的とする。 An object of the present invention is to suppress diffusion of Cu into an interlayer insulating film while improving the embedding characteristics of Cu in a fine pattern.
本発明の第1の半導体装置では、半導体基板上に第1の層間絶縁膜が形成されており、第1の層間絶縁膜には第1のトレンチが形成されており、第1のトレンチ内には導電体が埋め込まれて第1の配線が形成されている。第1の配線上には第2の層間絶縁膜が形成されており、第2の層間絶縁膜には第2のトレンチが形成されている。第2のトレンチの底部及び側壁には、第1のバリアメタル膜および第2のバリアメタル膜が順に形成されており、第2のバリアメタル膜の上には、第2のトレンチ内を埋め込むように金属膜が設けられている。ここで、第1のバリアメタル膜は窒素を含有する導電体からなり、第2のバリアメタル膜は白金族元素を含有している。第1のバリアメタル膜と第2のバリアメタル膜と金属膜とで第2の配線が構成されている。第2の層間絶縁膜には、さらに、ビアホールが第1の配線と第2の配線とを接続するように形成されており、ビアホール内には導電体が埋め込まれてビアプラグが形成されている。 In the first semiconductor device of the present invention, the first interlayer insulating film is formed on the semiconductor substrate, the first trench is formed in the first interlayer insulating film, and the first trench is formed in the first trench. The conductor is embedded to form the first wiring. A second interlayer insulating film is formed on the first wiring, and a second trench is formed in the second interlayer insulating film. A first barrier metal film and a second barrier metal film are formed in this order on the bottom and side walls of the second trench, and the second trench metal film is embedded in the second trench. Is provided with a metal film. Here, the first barrier metal film is made of a conductor containing nitrogen, and the second barrier metal film contains a platinum group element. The first barrier metal film, the second barrier metal film, and the metal film constitute a second wiring. In the second interlayer insulating film, a via hole is further formed so as to connect the first wiring and the second wiring, and a conductor is embedded in the via hole to form a via plug.
これにより、微細パターンのCuの埋め込み特性を向上しつつ、Cuの層間絶縁膜中への拡散を抑制することが可能である。 Thereby, it is possible to suppress the diffusion of Cu into the interlayer insulating film while improving the embedding characteristics of Cu in a fine pattern.
本発明の第2の半導体装置では、本発明の第1の半導体装置とは異なり、第1のバリアメタル膜および第2のバリアメタル膜は第2のトレンチの側壁に形成されており、第2のトレンチの底面には第3のバリアメタル膜が形成されており、第2の配線の金属膜は第2のトレンチ内において第2のバリアメタル膜および第3のバリアメタル膜の上に設けられている。この場合であっても、微細パターンのCuの埋め込み特性を向上しつつ、Cuの層間絶縁膜中への拡散を抑制することが可能である。 In the second semiconductor device of the present invention, unlike the first semiconductor device of the present invention, the first barrier metal film and the second barrier metal film are formed on the side wall of the second trench. A third barrier metal film is formed on the bottom surface of the trench, and the metal film of the second wiring is provided on the second barrier metal film and the third barrier metal film in the second trench. ing. Even in this case, it is possible to suppress the diffusion of Cu into the interlayer insulating film while improving the embedding characteristics of Cu with a fine pattern.
本発明の半導体装置の製造方法では、まず、半導体基板上の第1の層間絶縁膜に形成された第1のトレンチに導電体を埋め込むことにより第1の配線を形成し(工程(a))、次に、第1の配線上に第2の層間絶縁膜を形成し(工程(b))、続いて、第1の配線に達するように第2の層間絶縁膜にビアホールを形成し(工程(c))、その後、ビアホールと連通するように第2の層間絶縁膜に第2のトレンチを形成し(工程(d))、それから、ビアホールの側壁および底部ならびに第2のトレンチの側壁および底部を覆うように窒素を含有する導電体からなる第1のバリアメタル膜を堆積し(工程(e))、第1のバリアメタル膜を覆うように白金族元素を含有する第2のバリアメタル膜を堆積した後(工程(f))、ビアホール内及び第2のトレンチ内に銅又は銅合金を埋め込む(工程(g))。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, first, a first wiring is formed by embedding a conductor in a first trench formed in a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate (step (a)). Next, a second interlayer insulating film is formed on the first wiring (step (b)), and then a via hole is formed in the second interlayer insulating film so as to reach the first wiring (step). (C)) Then, a second trench is formed in the second interlayer insulating film so as to communicate with the via hole (step (d)), and then the sidewall and bottom of the via hole and the sidewall and bottom of the second trench are formed. A first barrier metal film made of a conductor containing nitrogen is deposited so as to cover (step (e)), and a second barrier metal film containing a platinum group element is covered so as to cover the first barrier metal film After depositing (step (f)), in the via hole and Embed copper or copper alloy in the second trench (step (g)).
これにより、Cuとバリアメタルとの密着性が向上し、且つバリア性が向上するため、微細パターンのCuの埋め込み特性を向上しつつ、Cuの層間絶縁膜中への拡散を抑制することが可能である。 As a result, the adhesion between Cu and the barrier metal is improved and the barrier property is improved, so that it is possible to suppress the diffusion of Cu into the interlayer insulating film while improving the embedding characteristic of Cu in a fine pattern. It is.
本発明によれば、微細パターンのCuの埋め込みが良好で、Cuの層間絶縁膜中への拡散を抑制することができる。 According to the present invention, fine pattern Cu can be embedded well, and diffusion of Cu into the interlayer insulating film can be suppressed.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下では、同一の構成要素に対して同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、本発明は、以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, the same components are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted. Further, the present invention is not limited to the following embodiment.
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図1(a)〜図1(g)を参照しながら説明する。図1(a)〜図1(g)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1A to FIG. 1G are cross-sectional views showing respective steps of a semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
まず、図1(a)に示すように、トランジスタ等の素子が形成された半導体基板(図示せず)上に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、例えばSiOC膜からなる絶縁膜(第1の層間絶縁膜)101を堆積させる。次に、絶縁膜101に第1のトレンチを形成し、第1のトレンチにCuからなる導電体を埋め込んで下層配線(第1の配線)102を形成する(工程(a))。このとき、下層配線102の側壁および底部にはバリアメタル膜が設けられていることが好ましい。ここで、バリアメタル膜の種類およびその形成方法については、後述の図1(c)及び図1(d)に示す断面図を説明するときに詳しく説明する。その後、CVD法により、絶縁膜101上及び下層配線102上に絶縁性バリア膜103を形成する。ここで、絶縁性バリア膜103としては、SiCO膜またはSiCN膜を用いることができる。その後、CVD法により、絶縁性バリア膜103上に層間絶縁膜(第2の層間絶縁膜)104を形成する(工程(b))。ここで、層間絶縁膜104としては、炭素含有シリコン酸化膜(SiOC膜)を用いることができる。
First, as shown in FIG. 1A, an insulating film (first film) made of, for example, a SiOC film is formed on a semiconductor substrate (not shown) on which elements such as transistors are formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Interlayer insulating film) 101 is deposited. Next, a first trench is formed in the
次に、図1(b)に示すように、フォトリソグラフィ法により、層間絶縁膜104上に、ビアホールパターンを有するフォトレジスト(図示せず)を堆積させる。その後、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチング処理を行い、層間絶縁膜104を除去して、絶縁性バリア膜103に到達するビアホール105を形成する(工程(c))。ここで、エッチングガスとしては弗化炭素(CF)系のガスを用いることができる。このドライエッチング処理が終了したら、アッシングにより、ビアホールパターンを有するフォトレジストを除去する。その後、フォトリソグラフィ法により、層間絶縁膜104上に、トレンチパターンを有するフォトレジスト(図示せず)を堆積させる。その後、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチング処理を行い、層間絶縁膜104を除去して、ビアホール105に連通するトレンチ(第2のトレンチ)106を形成する(工程(d))。ここで、エッチングガスとしては弗化炭素(CF)系のガスを用いることができる。このドライエッチング処理が終了したら、アッシングにより、トレンチパターンを有するフォトレジストを除去する。その後、ドライエッチング処理により、ビアホール105の底面に露出している絶縁性バリア膜103を除去する。ここで、エッチングガスとしては弗化炭素(CF)系のガスを用いることができる。
Next, as shown in FIG. 1B, a photoresist (not shown) having a via hole pattern is deposited on the
次に、図1(c)に示すように、スパッタ法により、ビアホール105の側壁および底部ならびにトレンチ106の側壁および底部を覆うように第1のバリアメタル膜107を堆積させる(工程(e))。ここで、第1のバリアメタル膜107の形成方法としては、ルテニウム(Ru)またはタンタル(Ta)等に窒素(N2)ガスを導入するリアクティブスパッタ法によりアモルファス構造である窒化ルテニウム(RuN)または窒化タンタル(TaN)等を形成する方法を用いることが好ましい。スパッタの成膜条件は例えば以下のようである。
<スパッタ条件>
ターゲットパワー:10000W
基板Biasパワー:500W
DC−Coilパワー:0W
RF−Coilパワー:2000W
Ar流量:15sccm
N流量:35sccm(RuNを成膜する場合)
ここで、銅はバリアメタル膜における結晶粒界を介してバリアメタル膜内を移動し層間絶縁膜へ拡散するのではないかと考えられている。アモルファス構造では結晶構造に比べて原子配列が不規則であるので、アモルファス構造のバリアメタル膜では結晶構造のバリアメタル膜に比べてバリアメタル膜における結晶粒界の個数が少ないので銅の拡散経路を確保することが難しくなる。これにより、アモルファス構造のバリアメタル膜を用いれば、銅がバリアメタル膜内を移動しにくくなるので層間絶縁膜へ拡散することを抑制でき、銅拡散に対するバリア性が高くなる。
Next, as shown in FIG. 1C, a first
<Sputtering conditions>
Target power: 10000W
Substrate Bias power: 500W
DC-Coil power: 0W
RF-Coil power: 2000W
Ar flow rate: 15 sccm
N flow rate: 35 sccm (when forming a RuN film)
Here, it is considered that copper moves through the barrier metal film via the grain boundary in the barrier metal film and diffuses into the interlayer insulating film. Since the atomic arrangement is irregular in the amorphous structure compared to the crystal structure, the barrier metal film in the amorphous structure has a smaller number of crystal grain boundaries in the barrier metal film than in the barrier metal film in the crystalline structure. It becomes difficult to secure. As a result, if a barrier metal film having an amorphous structure is used, it is difficult for copper to move in the barrier metal film, so that diffusion to the interlayer insulating film can be suppressed, and the barrier property against copper diffusion is enhanced.
また、第1のバリアメタル膜107を層間絶縁膜104上において2nm以上10nm以下の膜厚となるように形成すれば、ビアホール105の側壁および底部ならびにトレンチ106の側壁および底部を覆うように第1のバリアメタル膜107を形成することができ、銅拡散に対して十分なバリア性を確保することができる。第1のバリアメタル膜107の膜厚は、上記範囲内であることが好ましいが、銅拡散に対して十分なバリア性を確保でき、且つ、ビアホール105の側壁および底部ならびにトレンチ106の側壁および底部を覆うことが出来るのであれば、上記範囲内に限定されない。
Further, if the first
次に、図1(d)に示すように、スパッタ法により、第1のバリアメタル膜107上に第2のバリアメタル膜108を堆積させる(工程(f))。第2のバリアメタル膜108としては、ルテニウム(Ru)または窒化ルテニウム(RuN)を用いることが好ましい。スパッタの成膜条件は例えば以下のようである。
<スパッタ条件>
ターゲットパワー:10000W
基板Biasパワー:500W
DC−Coilパワー:0W
RF−Coilパワー:2000W
Ar流量:15sccm
N流量:35sccm(RuNを成膜する場合)
第2のバリアメタル膜108としてRuN膜を形成すると、第2のバリアメタル膜108がアモルファス構造となるのでその原子配列が不規則となり、上述のように銅拡散に対するバリア性が高くなる。
Next, as shown in FIG. 1D, a second
<Sputtering conditions>
Target power: 10000W
Substrate Bias power: 500W
DC-Coil power: 0W
RF-Coil power: 2000W
Ar flow rate: 15 sccm
N flow rate: 35 sccm (when forming a RuN film)
When a RuN film is formed as the second
また、第2のバリアメタル膜108を層間絶縁膜104の上において2nm以上10nm以下の膜厚となるように形成すれば、ビアホール105の側壁および底部ならびにトレンチ106の側壁および底部を覆うように第2のバリアメタル膜108を形成することができ、銅拡散に対して十分なバリア性を確保することができる。第2のバリアメタル膜108の膜厚は、上記範囲内であることが好ましいが、銅拡散に対して十分なバリア性を確保でき、且つ、ビアホール105の側壁および底部ならびにトレンチ106の側壁および底部を覆うことが出来るのであれば、上記範囲内に限定されない。
Further, if the second
続いて、図1(e)に示すように、スパッタ法により、第2のバリアメタル膜108上にCuシード膜109を堆積させる。
Subsequently, as shown in FIG. 1E, a
続いて、図1(f)に示すように、電解めっき法により、ビアホール105およびトレンチ106を埋めるようにCu膜(金属膜)110を堆積させる。
Subsequently, as shown in FIG. 1F, a Cu film (metal film) 110 is deposited so as to fill the via
そして、図1(g)に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により、トレンチ106からはみ出した余剰のCu膜110と第1のバリアメタル膜107と第2のバリアメタル膜108とを研磨し、トレンチ106以外の部分において層間絶縁膜104を露出させるとともに、ビアホール105内およびトレンチ106内においてCu膜110を残す。その結果、ビアホール105内には、第1のバリアメタル膜107、第2のバリアメタル膜108及びCu膜110の順に堆積されたビアプラグ111が形成され、トレンチ106内には、第1のバリアメタル膜107、第2のバリアメタル膜108及びCu膜110の順に堆積された上層配線112が形成される(工程(g))。
Then, as shown in FIG. 1G, the
上記図1(a)〜図1(g)で説明した工程を繰り返すことにより、多層配線構造を有する半導体装置を形成することができる。 By repeating the steps described with reference to FIGS. 1A to 1G, a semiconductor device having a multilayer wiring structure can be formed.
第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法により形成された半導体装置では、第1のバリアメタル膜107および第2のバリアメタル膜108により銅拡散に対するバリア性が向上する。ここで、特に、第1のバリアメタル膜107を形成する際には窒素ガスを導入しているが、この窒素ガス(N)は、第1のバリアメタル膜107をアモルファス構造とするために有用な効果を与えている。言い換えると、窒素ガスの導入により第1のバリアメタル膜107は原子配列が不規則なアモルファス構造となるため、第1のバリアメタル膜107には支配的な拡散経路である結晶粒界が少なくなり、よって、Cu拡散のバリア性が向上する。
In the semiconductor device formed by the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment, the first
なお、第1の実施形態では、Cuシード膜109として純Cuを用いたが例えばCu−Al等のCu合金シード膜を用いても良い。Cu合金シード膜を用いれば、純Cuを用いた場合に比べてRuバリアとCuとの濡れ性が向上するため、Cuの埋め込み特性を向上させることができる。
In the first embodiment, pure Cu is used as the
また、第1の実施形態では、第1のバリアメタル膜107に使用する金属としてはルテニウム(Ru)またはタンタル(Ta)を用い、第2のバリアメタル膜108に使用する金属としてはルテニウム(Ru)を用いたが、第1のバリアメタル膜107および第2のバリアメタル膜108としては、例えばロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)または白金(Pt)等の白金族元素を用いてもよい。このような白金族原子は比抵抗が低くCuとの密着性も良好であるため、上記効果と同様の効果が期待できる。
In the first embodiment, ruthenium (Ru) or tantalum (Ta) is used as the metal used for the first
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図2(a)〜図2(i)を参照しながら説明する。図2(a)〜図2(i)は本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。ここで、図2(a)〜(d)に示す断面図を形成する工程はそれぞれ図1(a)〜(d)に示す断面図を形成する工程と同じであり、図2(g)〜図2(i)に示す断面図を形成する工程はそれぞれ図1(e)〜図1(g)に示す断面図を形成する工程と同じであるため、説明を省略し、図2(e)及び図2(f)に示す断面図を形成する工程について説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (i). FIG. 2A to FIG. 2I are cross-sectional views showing respective steps of a semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. Here, the steps for forming the cross-sectional views shown in FIGS. 2A to 2D are the same as the steps for forming the cross-sectional views shown in FIGS. 1A to 1D, respectively. The process for forming the cross-sectional view shown in FIG. 2 (i) is the same as the process for forming the cross-sectional views shown in FIG. 1 (e) to FIG. 1 (g). A process for forming the cross-sectional view shown in FIG.
まず、図2(e)に示すように、Arのリスパッタにより、ビアホール105の底面に形成されている第1のバリアメタル膜107及び第2のバリアメタル膜108を除去して、ビアホール105の底面から下層配線102を露出させる(工程(h))。このとき、トレンチ106の底面に形成されている第1のバリアメタル膜107及び第2のバリアメタル膜108も一緒に除去される。例えば以下のようである。
<リスパッタ条件>
ターゲットパワー:500W
基板Biasパワー:400W
DC−Coilパワー:0W
RF−Coilパワー:1200W
Ar流量:15sccm
このリスパッタにより、下層配線102の上面には、凹形状の掘り込み部201が形成される。この掘り込み部201には、ビアプラグ111のEM耐性向上及びビア抵抗を低減するという効果がある。この効果については、具体的に後述する。
First, as shown in FIG. 2E, the first
<Resputtering conditions>
Target power: 500W
Substrate Bias power: 400W
DC-Coil power: 0W
RF-Coil power: 1200W
Ar flow rate: 15 sccm
By this resputtering, a
次に、図2(f)に示すように、スパッタ法により、ビアホール105の底面、トレンチ106の底面および第2のバリアメタル膜108の上に、第3のバリアメタル膜113を堆積させる(工程(i))。ここで、第3のバリアメタル膜113の形成方法としては、ルテニウム(Ru)等に窒素(N2)ガスを導入するリアクティブスパッタ法によりアモルファス構造である窒化ルテニウム(RuN)等を形成する方法を用いることができる。スパッタの成膜条件は例えば以下のようである。
<スパッタ条件>
ターゲットパワー:10000W
基板Biasパワー:500W
DC−Coilパワー:0W
RF−Coilパワー:2000W
Ar流量:15sccm
N流量:35sccm(RuNを形成する場合)
第3のバリアメタル膜113としてRuN膜を形成すると、第3のバリアメタル膜113がアモルファス構造となるのでその原子配列が不規則であり、よって、銅拡散に対するバリア性が高くなる。
Next, as shown in FIG. 2F, a third
<Sputtering conditions>
Target power: 10000W
Substrate Bias power: 500W
DC-Coil power: 0W
RF-Coil power: 2000W
Ar flow rate: 15 sccm
N flow rate: 35 sccm (when forming RuN)
When a RuN film is formed as the third
また、第3のバリアメタル膜113を層間絶縁膜104の上において2nm以上10nm以下の膜厚となるように形成すれば、ビアホール105の側壁および底部ならびにトレンチ106の側壁および底部を覆うように形成することができ、銅拡散に対して十分なバリア性を確保することができるため好ましい。第3のバリアメタル膜113の膜厚は、上記範囲内であることが好ましいが、銅拡散に対して十分なバリア性を確保できる、且つ、ビアホール105の側壁および底部ならびにトレンチ106の側壁および底部を覆うことが出来るのであれば、上記範囲外であってもよい。ここで、Cu拡散に対する十分なバリア性とは、トレンチ106の側壁及び底部からのCu拡散に対して十分なバリア性を持つということを意味している。
Further, if the third
第2の実施形態に係る半導体装置では、第1の実施形態に係る半導体装置とは異なり、ビアプラグ111の底部と上層配線112の底部とには、第1のバリアメタル膜107及び第2のバリアメタル膜108が形成されておらず第3のバリアメタル膜113のみが形成されている。
In the semiconductor device according to the second embodiment, unlike the semiconductor device according to the first embodiment, the first
ここで、バリアメタル膜(Ru膜またはTa膜等)と銅膜とを比較した際、バリアメタル膜の方が銅膜よりも抵抗率が高いことが知られている。そのため、Cu拡散に対するバリア性を確保しつつ、ビアプラグ111及び配線(下層配線102と上層配線112)の抵抗を小さくすることが必要である。第2の実施形態に係る半導体装置によれば、第1の実施形態に係る半導体装置と比較して、ビアプラグ111の底部及び上層配線112の底部にはバリアメタル膜が1層しか形成されていないため、ビアプラグ111及び配線の抵抗を小さくすることができるという効果をさらに奏する。
Here, when comparing a barrier metal film (such as Ru film or Ta film) and a copper film, it is known that the barrier metal film has a higher resistivity than the copper film. Therefore, it is necessary to reduce the resistance of the via
また、下層配線102の上面には、掘り込み部201が形成されている。掘り込み部201が形成されているために、ビアプラグ111の底部は、第1の実施形態におけるビアプラグ111の底部と比較して、先が尖った形状(凸形状)となる。従って、第2の実施形態の半導体装置におけるビアプラグ111の底部は、第1の実施形態の半導体装置におけるビアプラグ111の底部と比較して、表面積が大きくなる。その結果、電流の局所集中を抑制することができるので、第1の実施形態と比較してEM耐性をさらに向上することができるという効果を奏する。
A digging
また、第2の実施形態では、Cuシード膜109としては純Cuを用いたが例えばCu−Al等のCu合金シード膜を用いても良い。Cuシード膜109としてCu合金シード膜を用いることで、RuバリアとCuとの濡れ性が向上するため、Cuの埋め込み特性を向上させることができる。
In the second embodiment, pure Cu is used as the
また、第2の実施形態では、第1のバリアメタル膜107に使用する金属としてはルテニウム(Ru)またはタンタル(Ta)を用い、第2のバリアメタル膜108に使用する金属としてはルテニウム(Ru)を用い、第3のバリアメタル膜113に使用する金属としてはルテニウム(Ru)を用いたが、第1のバリアメタル膜107,第2のバリアメタル膜108および第3のバリアメタル膜113に使用する金属としては、例えばロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)または白金(Pt)等の白金族元素を用いてもよい。白金族元素は比抵抗が低くCuとの密着性も良好であるため、上記効果と同様の効果が期待できる。
In the second embodiment, ruthenium (Ru) or tantalum (Ta) is used as the metal used for the first
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図3(a)〜図3(h)を参照しながら説明する。図3(a)〜図3(h)は本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。ここで、図3(a)〜(d)に示す断面図を形成する工程は、図1(a)〜(d)に示す断面図を形成する工程と同じであり、図3(f)〜図3(h)に示す断面図を形成する工程は、図1(e)〜図1(g)に示す断面図を形成する工程と同じであるため、説明を省略し、図3(e)に示す断面図を形成する工程について説明する。
(Third embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 3 (a) to 3 (h). FIG. 3A to FIG. 3H are cross-sectional views showing respective steps of the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. Here, the process of forming the cross-sectional views shown in FIGS. 3A to 3D is the same as the process of forming the cross-sectional views shown in FIGS. 1A to 1D, and FIGS. The step of forming the cross-sectional view shown in FIG. 3 (h) is the same as the step of forming the cross-sectional views shown in FIG. 1 (e) to FIG. 1 (g). A process of forming the cross-sectional view shown in FIG.
図3(e)に示すように、熱処理により、層間絶縁膜104から水分を脱ガスさせ、第1のバリアメタル膜107を酸化し、層間絶縁膜104と第1のバリアメタル膜107との界面に第4のバリアメタル膜114を形成する(工程(j))。ここで、熱処理は、100℃以上400℃以下の温度により、行うことが好ましい。ここで、400℃以下であるならば、プロセス上問題ない範囲内で熱処理を行うことができる。第4のバリアメタル膜114は、酸素含有窒化ルテニウム(RuNO)または酸素含有窒化タンタル(TaNO)である。第4のバリアメタル膜114の膜厚は、ビアホール105の側壁ならびにトレンチ106の側壁及び底部に、第1のバリアメタル膜107の膜厚の40%以上60%以下の膜厚となるように形成することが好ましいが、この値に限定されることはない。
As shown in FIG. 3E, moisture is degassed from the
第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法では、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法と比較して、RuNまたはTaNにさらに酸素を含有する第4のバリアメタル膜114を第1のバリアメタル膜107と層間絶縁膜104との間に形成することが可能である。ここで、第4のバリアメタル膜114は、層間絶縁膜104中から水分を脱ガスさせることによって形成される酸素含有窒化ルテニウム(RuNO)または酸素含有窒化タンタル(TaNO)からなる。酸素は、窒素と同様にアモルファス構造を形成するのに有用な効果を与える。そのため、第1のバリアメタル膜107の原子配列が不規則なアモルファス構造となるため、第1のバリアメタル膜107には支配的な拡散経路である結晶粒界が少なくなり、Cu拡散に対するバリア性を向上させることができる。また、Ruは酸化しても導電性を失わないので、熱処理により第4のバリアメタル膜114の抵抗値が上昇するという問題ない。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment, compared to the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment, the fourth
また、酸素含有窒化ルテニウム(RuNO)または酸素含有窒化タンタル(TaNO)、言い換えると第4のバリアメタル膜114は、第1のバリアメタル膜107が層間絶縁膜104に接している箇所にしか形成されないため、ビアホール105の底部には形成されない。よって、第4のバリアメタル膜114を形成しても、ビア抵抗の上昇を抑制することも可能である。
Further, the oxygen-containing ruthenium nitride (RuNO) or the oxygen-containing tantalum nitride (TaNO), in other words, the fourth
また、第3の実施形態では、Cuシード膜109としては純Cuを用いたが例えばCu−Al等のCu合金シード膜を用いても良い。Cuシード膜109としてCu合金シード膜を用いることで、RuバリアとCuとの濡れ性が向上するため、Cuの埋め込み特性を向上させることができる。
In the third embodiment, pure Cu is used as the
また、第3の実施形態では、第1のバリアメタル膜107に使用する金属としてはルテニウム(Ru)またはタンタル(Ta)を用い、第2のバリアメタル膜108に使用する金属としてはルテニウム(Ru)を用いたが、第1のバリアメタル膜107および第2のバリアメタル膜108に使用する金属としては、例えばロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)または白金(Pt)等の白金族元素を用いてもよい。これらの白金族元素は比抵抗が低くCuとの密着性も良好であるため、上記効果と同様の効果が期待できる。
In the third embodiment, ruthenium (Ru) or tantalum (Ta) is used as the metal used for the first
また、第4のバリアメタル膜114を、上記第2の実施形態における半導体装置に形成してもよい。具体的には、上記第2の実施形態において、ビアホール105の側壁及びトレンチ106の側壁に形成されている第1のバリアメタル膜107と層間絶縁膜104との間と、トレンチ106の底部に形成されている第3のバリアメタル膜と層間絶縁膜104との間とに、第4のバリアメタル膜114を形成してもよい。ここで、第4のバリアメタル膜114の形成方法としては、第3の実施形態と同様に、熱処理により、層間絶縁膜104から水分を脱ガスさせて第1のバリアメタル膜107を酸化させる。こうすることで、上記第2の実施形態における半導体装置のビアプラグ及び配線のCu拡散に対するバリア性をさらに向上することができるという効果がある。
Further, the fourth
また、第1〜第3の実施形態において、第1〜第4のバリアメタル膜の膜厚について規定したが、ビアプラグの埋め込み特性が損なわれない範囲において、ビアプラグの側壁にそれぞれのバリアメタル膜を形成する必要がある。 In the first to third embodiments, the film thicknesses of the first to fourth barrier metal films are defined. However, each barrier metal film is provided on the side wall of the via plug as long as the embedding characteristics of the via plug are not impaired. Need to form.
また、第1及び第3の実施形態においては、デュアルダマシンで配線を形成する例を示したが、シングルダマシンで配線を形成する場合にも適用することができる。 In the first and third embodiments, the example in which the wiring is formed by dual damascene is shown, but the present invention can also be applied to the case where the wiring is formed by single damascene.
本発明は、例えば、微細化且つ集積化されたLSI(large scale integration)等のダマシン法により形成された配線を有する半導体装置の製造方法に利用することができる。 The present invention can be used, for example, in a method of manufacturing a semiconductor device having wiring formed by a damascene method such as miniaturized and integrated LSI (large scale integration).
101 絶縁膜
102 下層配線(第1の配線)
103 絶縁性バリア膜
104 層間絶縁膜
105 ビアホール
106 トレンチ(第2のトレンチ)
107 第1のバリアメタル膜
108 第2のバリアメタル膜
109 Cuシード膜
110 Cu膜
111 ビアプラグ
112 上層配線(第2の配線)
113 第3のバリアメタル膜
114 第4のバリアメタル膜
101 Insulating film
102 Lower layer wiring (first wiring)
103 Insulating barrier film
104
106 trench (second trench)
107 first barrier metal film
108 Second barrier metal film
109
111 Via plug
112 Upper layer wiring (second wiring)
113 Third barrier metal film
114 Fourth barrier metal film
Claims (22)
前記第1の配線上に設けられた第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜に形成された第2のトレンチと、
前記第2のトレンチの底部及び側壁に設けられており、窒素を含有する導電体からなる第1のバリアメタル膜と、
前記第2のトレンチの前記底部及び前記側壁において前記第1のバリアメタル膜の上に設けられており、白金族元素を含有する第2のバリアメタル膜と、
前記第2のトレンチ内において前記第2のバリアメタル膜の上に設けられており、銅又は銅合金からなる金属膜と、
前記第1のバリアメタル膜、前記第2のバリアメタル膜および前記金属膜を有する第2の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線とを接続するように前記第2の層間絶縁膜に形成されたビアホール内に設けられており、導電体からなるビアプラグと
を備えていることを特徴とする半導体装置。 A first wiring formed in a first trench formed in the first interlayer insulating film on the semiconductor substrate, and made of a conductor;
A second interlayer insulating film provided on the first wiring;
A second trench formed in the second interlayer insulating film;
A first barrier metal film provided on a bottom and a side wall of the second trench and made of a conductor containing nitrogen;
A second barrier metal film containing a platinum group element provided on the first barrier metal film at the bottom and side walls of the second trench;
A metal film formed on the second barrier metal film in the second trench and made of copper or a copper alloy;
A second wiring having the first barrier metal film, the second barrier metal film, and the metal film;
It is provided in a via hole formed in the second interlayer insulating film so as to connect the first wiring and the second wiring, and includes a via plug made of a conductor. Semiconductor device.
前記第1の配線上に設けられた第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜に形成された第2のトレンチと、
前記第2のトレンチの側壁に設けられており、窒素を含有する導電体からなる第1のバリアメタル膜と、
前記第2のトレンチの前記側壁において前記第1のバリアメタル膜の上に設けられており、白金族元素を含有する第2のバリアメタル膜と、
前記第2のトレンチ内において前記第2のトレンチの底部および前記第2のバリアメタル膜の上に設けられており、窒素を含有する導電体からなる第3のバリアメタル膜と、
前記第2のトレンチ内において前記第3のバリアメタル膜の上に設けられており、銅又は銅合金からなる金属膜と、
前記第1のバリアメタル膜、前記第2のバリアメタル膜、前記第3のバリアメタル膜および前記金属膜を有する第2の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線とを接続するように前記第2の層間絶縁膜に形成されたビアホール内に設けられており、導電体からなるビアプラグと
を備えていることを特徴とする半導体装置。 A first wiring formed in a first trench formed in the first interlayer insulating film on the semiconductor substrate, and made of a conductor;
A second interlayer insulating film provided on the first wiring;
A second trench formed in the second interlayer insulating film;
A first barrier metal film provided on a sidewall of the second trench and made of a conductor containing nitrogen;
A second barrier metal film containing a platinum group element provided on the first barrier metal film on the side wall of the second trench;
A third barrier metal film made of a conductor containing nitrogen, provided on the bottom of the second trench and on the second barrier metal film in the second trench;
A metal film made of copper or a copper alloy provided on the third barrier metal film in the second trench;
A second wiring having the first barrier metal film, the second barrier metal film, the third barrier metal film, and the metal film;
It is provided in a via hole formed in the second interlayer insulating film so as to connect the first wiring and the second wiring, and includes a via plug made of a conductor. Semiconductor device.
前記掘り込み部内には、前記ビアプラグが設けられていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 A digging portion having a concave shape is formed on the upper surface of the first wiring,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the via plug is provided in the digging portion.
前記第4のバリアメタル膜は、前記ビアホールの前記側壁に形成された前記第1のバリアメタル膜と前記第2の層間絶縁膜との間に設けられている一方、前記ビアホールの前記底部に形成された前記第1のバリアメタル膜と前記第1の配線との間には設けられていないことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。 The first barrier metal film is further provided between the bottom and side walls of the via hole and the via plug,
The fourth barrier metal film is provided between the first barrier metal film formed on the side wall of the via hole and the second interlayer insulating film, and is formed on the bottom of the via hole. 5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the semiconductor device is not provided between the first barrier metal film and the first wiring.
前記第4のバリアメタル膜は、前記ビアホールの前記側壁に形成された前記第1のバリアメタル膜と前記第2の層間絶縁膜との間に設けられている一方、前記ビアホールの前記底部に形成された前記第3のバリアメタル膜と前記第1の配線との間には設けられていないことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 The third barrier metal film is further provided between the bottom of the via hole and the via plug, and the first barrier metal film is further provided between the side wall of the via hole and the via plug. And
The fourth barrier metal film is provided between the first barrier metal film formed on the side wall of the via hole and the second interlayer insulating film, and is formed on the bottom of the via hole. 6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the semiconductor device is not provided between the third barrier metal film formed and the first wiring.
前記工程(a)の後に、前記第1の配線上に第2の層間絶縁膜を形成する工程(b)と、
前記工程(b)の後に、前記第1の配線に達するように、前記第2の層間絶縁膜にビアホールを形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後に、前記ビアホールと連通するように、前記第2の層間絶縁膜に第2のトレンチを形成する工程(d)と、
前記工程(d)の後に、前記ビアホールの側壁および底部ならびに前記第2のトレンチの側壁および底部を覆うように、窒素を含有する導電体からなる第1のバリアメタル膜を堆積させる工程(e)と、
前記工程(e)の後に、前記第1のバリアメタル膜を覆うように、白金族元素を含有する第2のバリアメタル膜を堆積させる工程(f)と、
前記工程(f)の後に、前記ビアホール内及び前記第2のトレンチ内に銅又は銅合金を埋め込む工程(g)と
を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step (a) of forming a first wiring by embedding a conductor in a first trench formed in a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate;
A step (b) of forming a second interlayer insulating film on the first wiring after the step (a);
(C) forming a via hole in the second interlayer insulating film so as to reach the first wiring after the step (b);
After the step (c), a step (d) of forming a second trench in the second interlayer insulating film so as to communicate with the via hole;
After the step (d), a step (e) of depositing a first barrier metal film made of a nitrogen-containing conductor so as to cover the side wall and bottom of the via hole and the side wall and bottom of the second trench. When,
After the step (e), a step (f) of depositing a second barrier metal film containing a platinum group element so as to cover the first barrier metal film;
After the step (f), a step (g) of burying copper or a copper alloy in the via hole and in the second trench is provided.
前記工程(h)と前記工程(g)との間に、前記ビアホールの前記底部及び前記第2のバリアメタル膜の上に、窒素を含有する導電体からなる第3のバリアメタル膜を形成する工程(i)とを備えていることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。 A step (h) of removing the first barrier metal film and the second barrier metal film formed on the bottom of the via hole between the step (f) and the step (g);
Between the step (h) and the step (g), a third barrier metal film made of a conductor containing nitrogen is formed on the bottom of the via hole and the second barrier metal film. 14. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, further comprising a step (i).
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