JP2011009642A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device that achieves good adhesion with respect to a barrier metal insulating film and Cu, and prevents diffusion of Cu at the same time, and to provide a method of manufacturing the same.SOLUTION: A seal insulating film is formed on a sidewall of a recess in an insulating film, and a Cu-based buried electrode is formed through a barrier layer of a three-layer structure including a first conductive barrier layer having an superior adhesion with the seal insulating film, a second conductive barrier layer having a high Cu diffusion preventing capability and a third conductive barrier layer having an superior adhesion with the Cu-based buried electrode, which are arranged sequentially inside the seal insulating film.

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に関するものであり、例えば、埋込配線を形成する際のバリア層の構成に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, for example, a configuration of a barrier layer when forming an embedded wiring.

近年、半導体装置の電極材料或いは配線材料として、アルミニウムが広く用いられてきた。しかし、近年の半導体装置の微細化や処理の高速化の要求に伴い、電極や配線をアルミニウムで対応することが困難になってきている。そのため、エレクトロマイグレーションに強く、比抵抗がアルミニウムより小さな銅を利用する試みが進められている。   In recent years, aluminum has been widely used as an electrode material or wiring material for semiconductor devices. However, with recent demands for miniaturization of semiconductor devices and higher processing speeds, it has become difficult to handle electrodes and wiring with aluminum. For this reason, attempts have been made to use copper that is resistant to electromigration and has a smaller specific resistance than aluminum.

一方、半導体装置の高速化のためには、電極及び配線の低抵抗化とともに、信号遅延の要因となる寄生容量を低減するために層間絶縁膜の低誘電率化が必要になる。このような絶縁膜としてk値の低い所謂low−k材料が適用されている。   On the other hand, in order to increase the speed of the semiconductor device, it is necessary to lower the dielectric constant of the interlayer insulating film in order to reduce the resistance of the electrodes and wirings and reduce the parasitic capacitance that causes signal delay. As such an insulating film, a so-called low-k material having a low k value is used.

しかし、Low−k材料は一般には空孔を有することでk値を下げているため、空孔があるが故に、配線材料であるメタルがLow−k材料に拡散し易いという問題がある。そのため、ダマシン構造を有する銅多層配線において、Low−k材料からなる層間絶縁膜に設けた配線用トレンチの側壁を絶縁膜でシールしている(例えば、特許文献1参照)。   However, since the low-k material generally has a hole to lower the k value, there is a problem that the metal as the wiring material is likely to diffuse into the low-k material because of the presence of the hole. Therefore, in a copper multilayer wiring having a damascene structure, the side walls of wiring trenches provided in an interlayer insulating film made of a low-k material are sealed with an insulating film (see, for example, Patent Document 1).

また、銅埋込配線の微細化にともなう配線抵抗値の上昇の回避、ならびに銅の領域周辺に酸化ルテニウム等の金属酸化膜層を形成することで、TDDB(Time Dependent Dielectric Bearkdown:経時破壊)寿命の長寿命化等の配線信頼性を確保している(例えば、特許文献2参照)。   Further, by avoiding an increase in wiring resistance value due to the miniaturization of the copper embedded wiring and forming a metal oxide film layer such as ruthenium oxide around the copper region, a TDDB (Time Dependent Dielectric Darkdown) life Wiring reliability such as prolonging the service life is ensured (see, for example, Patent Document 2).

特に、銅はSi−Oを含む絶縁膜に対し拡散し易く、拡散を防ぐためにバリアメタル層が銅成膜前に配線ならびにビアホール側壁に成膜されている。バリアメタル層としては、一般にはTa、Ti、TaN等が用いられているが、Cuよりも抵抗値が高いという特徴を持つ。例えば、銅の比抵抗値が1.7×10-6Ω・cmであるのに対して、Taは15×10-6Ω・cm、Tiは80×10-6Ω・cmである。 In particular, copper easily diffuses into the insulating film containing Si—O, and a barrier metal layer is formed on the wiring and via hole sidewalls before the copper film is formed in order to prevent diffusion. As the barrier metal layer, Ta, Ti, TaN or the like is generally used, but has a feature that the resistance value is higher than Cu. For example, while the specific resistance value of copper is 1.7 × 10 −6 Ω · cm, Ta is 15 × 10 −6 Ω · cm, and Ti is 80 × 10 −6 Ω · cm.

配線の微細化が進むにつれ、配線抵抗に占めるバリアメタル膜に抵抗値の占める割合が高くなるため、銅ならびにバリアメタルのトータルの抵抗値が上昇する問題が発生する。例えば、ITRS2006(International Technology Roadmap of Semiconductors 2006 Edition)が示すテクノロジーロードマップによれば、hp(harf pitch)32nm世代(配線ピッチ64nm)の銅配線の比抵抗値は4.83×10-6Ω・cmとされている。 As the wiring becomes finer, the ratio of the resistance value to the barrier metal film occupying the wiring resistance increases, so that the total resistance value of copper and barrier metal increases. For example, according to the technology roadmap indicated by ITRS 2006 (International Technology Roadmap of Semiconductors 2006 Edition), the specific resistance value of copper wiring of the hp (harf pitch) 32 nm generation (wiring pitch 64 nm) is 4.83 × 10 −6 Ω · cm.

また、配線のTDDB寿命信頼性を確保するためには、Cu界面における密着を向上させることが効果的である。例えば、結晶性のRuは比抵抗が低くCuとの密着性が良好なバリアメタルとして知られている。   In order to ensure the TDDB life reliability of the wiring, it is effective to improve the adhesion at the Cu interface. For example, crystalline Ru is known as a barrier metal having a low specific resistance and good adhesion to Cu.

特開2005−236285号公報JP 2005-236285 A 特開2008−159720号公報JP 2008-159720 A

しかし、結晶性Ruの場合には結晶性が故に結晶欠陥を通してCuが外部に拡散してしまうという問題がある。そこで、Cuの外部拡散し難い材料として窒素を含む非晶質のRuを下地として成膜することで、Cuの拡散を回避することができる。   However, in the case of crystalline Ru, there is a problem that Cu diffuses to the outside through crystal defects because of the crystallinity. Therefore, the diffusion of Cu can be avoided by forming a film of amorphous Ru containing nitrogen as a base material that hardly diffuses out of Cu.

しかし、このような非晶質のRuは側壁の絶縁膜との密着性が低いために、CMP処理の時にせん断応力により、剥れが発生するという問題がある。一方、上述の酸化ルテニウムは絶縁膜との密着性が良好であるが、ポーラス絶縁膜と直接接すると膜中の水分の影響でポーラス絶縁膜に拡散するという問題がある。   However, since such amorphous Ru has low adhesion to the insulating film on the side wall, there is a problem that peeling occurs due to shear stress during the CMP process. On the other hand, the above-mentioned ruthenium oxide has good adhesion to the insulating film, but there is a problem that when it is in direct contact with the porous insulating film, it diffuses into the porous insulating film due to the influence of moisture in the film.

したがって、本発明は、バリアメタルの絶縁膜及びCuに対する密着性と、Cu拡散防止とを両立することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to achieve both the adhesion of the barrier metal to the insulating film and Cu and the prevention of Cu diffusion.

本発明の一観点からは、絶縁膜と、前記絶縁膜に設けられた凹部と、前記凹部の側壁に形成されたシール絶縁膜と、前記凹部内であって、前記シール絶縁膜の内側に順に設けられた第1の導電性バリア層、第2の導電性バリア層、及び、第3の導電性バリア層を介して形成されたCu系埋込電極を設けた半導体装置であって、前記第3の導電性バリア層は、前記第2の導電性バリア層よりCu系埋込電極との密着性が優れており、前記第2の導電性バリア層は、前記第3の導電性バリア層よりCu拡散阻止能力が高く、且つ、前記第1の導電性バリア層は、前記第2の導電性バリア層より前記側壁をシールする絶縁膜との密着性が優れていることを特徴とする半導体装置が提供される。   From one aspect of the present invention, an insulating film, a concave portion provided in the insulating film, a seal insulating film formed on a side wall of the concave portion, and the inside of the concave portion inside the seal insulating film in order. A semiconductor device comprising a provided first conductive barrier layer, a second conductive barrier layer, and a Cu-based embedded electrode formed via a third conductive barrier layer, wherein The conductive barrier layer 3 has better adhesion to the Cu-based embedded electrode than the second conductive barrier layer, and the second conductive barrier layer is better than the third conductive barrier layer. A semiconductor device characterized in that Cu diffusion prevention capability is high, and the first conductive barrier layer has better adhesion to the insulating film that seals the side wall than the second conductive barrier layer. Is provided.

また、本発明の別の観点からは、絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部の側壁にシール絶縁膜を形成する工程と、前記凹部内であって前記シール絶縁膜の内側に第1の導電性バリア層を成膜する工程と、前記第1の導電性バリア層上に前記第1の導電性バリア層よりCu拡散阻止能力が高い第2の導電性バリア層を成膜する工程と、前記第2の導電性バリア層上に前記第2の導電性バリア層よりCuに対する密着性が優れる第3の導電性バリア層を成膜する工程と、前記第3の導電性バリア層上に前記凹部を埋め込むようにCu系電極材料を堆積する工程と、前記Cu系電極材料と、前記第3の導電性バリア層と、前記第2の導電性バリア層と、前記第1の導電性バリア層とを前記凹部を形成した絶縁膜の表面が露出するまで化学機械研磨を行って研磨する工程とを有し、前記第1の導電性バリア層は、前記第2の導電性バリア層より前記シール絶縁膜との密着性が優れていることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a step of forming a recess in the insulating film, a step of forming a seal insulating film on the sidewall of the recess, and a first inside the recess and inside the seal insulating film. Forming a conductive barrier layer, and forming a second conductive barrier layer on the first conductive barrier layer, the second conductive barrier layer having a Cu diffusion prevention capability higher than that of the first conductive barrier layer. Forming a third conductive barrier layer having better adhesion to Cu than the second conductive barrier layer on the second conductive barrier layer; and forming a third conductive barrier layer on the third conductive barrier layer. A step of depositing a Cu-based electrode material so as to fill the recess, the Cu-based electrode material, the third conductive barrier layer, the second conductive barrier layer, and the first conductive barrier. Until the surface of the insulating film in which the recess is formed is exposed. And polishing the first conductive barrier layer, wherein the first conductive barrier layer has better adhesion to the seal insulating film than the second conductive barrier layer. A manufacturing method is provided.

開示の半導体装置及びその製造方法によれば、バリアメタルを3層構造にしているのでバリアメタルの絶縁膜及びCuに対する密着性と、Cu拡散防止とを両立することが可能となる。   According to the disclosed semiconductor device and the manufacturing method thereof, since the barrier metal has a three-layer structure, it is possible to achieve both adhesion of the barrier metal to the insulating film and Cu and prevention of Cu diffusion.

本発明の実施の形態の配線構造の概念的断面図である。It is a conceptual sectional view of the wiring structure of an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態の配線構造の形成工程の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle of the formation process of the wiring structure of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の配線構造の形成工程の図2以降の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle after FIG. 2 of the formation process of the wiring structure of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の配線構造の形成工程の図3以降の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle after FIG. 3 of the formation process of the wiring structure of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の配線構造の形成工程の図4以降の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of FIG. 4 and subsequent drawings showing a wiring structure forming process according to an embodiment of the present invention. 本発明におけるエレクトロマイグレーション試験パターンの概略的断面図である。It is a schematic sectional drawing of the electromigration test pattern in this invention. 本発明及び実施例1の半導体装置の概略的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device of the present invention and Example 1. FIG.

ここで、図1乃至図6を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明の実施の形態の配線構造の概念的断面図である。プラグ2を埋め込んだ下地絶縁膜1上に形成した層間絶縁膜3に凹部を形成し、凹部の側壁をシール用の絶縁膜4でシールし、第1のバリアメタル膜5乃至第3のバリアメタル膜7を介してCu配線8を埋め込んだものである。   Here, with reference to FIG. 1 thru | or FIG. 6, embodiment of this invention is described. FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view of a wiring structure according to an embodiment of the present invention. A recess is formed in the interlayer insulating film 3 formed on the base insulating film 1 in which the plug 2 is embedded, and the sidewalls of the recess are sealed with the insulating film 4 for sealing, and the first barrier metal film 5 to the third barrier metal. A Cu wiring 8 is embedded through a film 7.

このような層間絶縁膜3としては所謂Low−k材料が好適であり、例えば、絶縁材料として、例えば、Black Diamond(AMAT社製商品名)、Coral(ノベラスシステム社製商品名)或いはAurolaUKL(ASM社製商品名)等が挙げられる。   As such an interlayer insulating film 3, a so-called Low-k material is suitable. For example, as an insulating material, for example, Black Diamond (trade name, manufactured by AMAT), Coral (trade name, manufactured by Novellus System) or Aurora UKL (ASM) Company name).

また、凹部の側壁をシールする絶縁膜4としては、シリコンカーバイド、シリコンオキシカーバイド、シリコンナイトライド、シリコンオキシナイトライド、シリコンオキサイド等の内、1種以上が用いられている。なお、バリア性の観点からシリコンオキシカーバイドがより好適である。   In addition, as the insulating film 4 for sealing the sidewall of the recess, at least one of silicon carbide, silicon oxycarbide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon oxide, and the like is used. Silicon oxycarbide is more preferable from the viewpoint of barrier properties.

また、第1のバリアメタル膜5としては、凹部の側壁をシールする絶縁膜4との密着性が良好な材料が望ましく、例えば、酸化ルテニウムが好適である。この酸化ルテニウムを成膜する場合には、酸素を含む雰囲気中、例えば、酸素雰囲気中でルテニウムを物理気相堆積法、例えば、スパッタリング法を用いて成膜すれば良い。   The first barrier metal film 5 is preferably made of a material having good adhesion to the insulating film 4 that seals the side wall of the recess, and for example, ruthenium oxide is suitable. In the case of forming this ruthenium oxide film, ruthenium may be formed using a physical vapor deposition method such as a sputtering method in an atmosphere containing oxygen, for example, in an oxygen atmosphere.

また、第2のバリアメタル膜としては、酸化ルテニウムより絶縁膜4との密着性は劣るが、Cu拡散阻止能力の高い窒素を0.5atom%〜15.0atom%含有する非晶質のRuが好適である。この非晶質のRuを成膜する場合には、窒素を含む雰囲気中、例えば、窒素雰囲気中でルテニウムを物理気相堆積法、例えば、スパッタリング法を用いて成膜すれば良い。   Further, as the second barrier metal film, although the adhesion to the insulating film 4 is inferior to that of ruthenium oxide, amorphous Ru containing 0.5 atom% to 15.0 atom% of nitrogen having a high Cu diffusion preventing ability is used. Is preferred. In the case of depositing this amorphous Ru, ruthenium may be deposited using a physical vapor deposition method such as a sputtering method in an atmosphere containing nitrogen, for example, in a nitrogen atmosphere.

また、第3のバリアメタル膜としては、非晶質のRuよりCu拡散阻止能力は劣るが、Cuとの密着性が良好な結晶性のRuが好適である。この結晶性のRuを成膜する場合には、窒素及び酸素を含まない雰囲気中、例えば、真空中でルテニウムを物理気相堆積法、例えば、スパッタリング法を用いて成膜すれば良い。なお、Cu配線8は純粋なCuである必要はなく、エレクトロマイグレーション耐性を高めるために、3.0重量%以下のAl或いはSiを添加しても良い。   Further, as the third barrier metal film, crystalline Ru having good adhesion to Cu is preferable, although Cu diffusion prevention ability is inferior to amorphous Ru. In the case of forming this crystalline Ru, ruthenium may be formed using a physical vapor deposition method such as a sputtering method in an atmosphere containing no nitrogen and oxygen, for example, in a vacuum. Note that the Cu wiring 8 does not need to be pure Cu, and Al or Si of 3.0 wt% or less may be added in order to increase electromigration resistance.

次に、図2乃至図5を参照して、本発明の実施の形態の配線構造の形成工程を説明する。まず、図2(a)に示すように、PSG(リンガラス)等からなる下地絶縁膜11にW等からなるプラグ12を埋め込んだのち、エッチングストッパー膜13、層間絶縁膜14、及び、キャップ膜15を順次堆積する。この場合のエッチングストッパー膜13は、例えば、比誘電率3.6のシリコンオキシカーバイド(SiOC)を用い、厚さは10nm〜40nmとする。   Next, with reference to FIG. 2 to FIG. 5, a description will be given of a process for forming a wiring structure according to the embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 2A, after a plug 12 made of W or the like is embedded in a base insulating film 11 made of PSG (phosphorus glass) or the like, an etching stopper film 13, an interlayer insulating film 14, and a cap film 15 are sequentially deposited. In this case, the etching stopper film 13 uses, for example, silicon oxycarbide (SiOC) having a relative dielectric constant of 3.6 and a thickness of 10 nm to 40 nm.

また、層間絶縁膜14としては、k値が2.6以下の低誘電率絶縁材料からなるポーラスLow−k材料であるCVD系のSiOC膜が好適である。このような、材料としては、上述のBlack Diamond(AMAT社製商品名)、Coral(ノベラスシステム社製商品名)或いはAurolaUKL(ASM社製商品名)等が挙げられる。なお、厚さは、60nm〜120nmとする。また、キャップ膜15としては、SiOが好適であり、厚さは、30nm〜70nmとする。 The interlayer insulating film 14 is preferably a CVD-based SiOC film, which is a porous low-k material made of a low dielectric constant insulating material having a k value of 2.6 or less. Examples of such a material include the above-mentioned Black Diamond (trade name, manufactured by AMAT), Coral (trade name, manufactured by Novellus System), Aurora UKL (trade name, manufactured by ASM), and the like. The thickness is 60 nm to 120 nm. The cap film 15 is preferably SiO 2 and has a thickness of 30 nm to 70 nm.

次いで、図2(b)に示すように、レジストパターン(図示を省略)をマスクとしてエッチングを施すことによって、キャップ膜15乃至エッチングストッパー膜13を順次エッチングして配線用凹部16を形成する。   Next, as shown in FIG. 2B, etching is performed using a resist pattern (not shown) as a mask, thereby sequentially etching the cap film 15 to the etching stopper film 13 to form a wiring recess 16.

次いで、図2(c)に示すように、厚さが、例えば、3nmのシール絶縁膜17を堆積させる。この場合のシール絶縁膜17としては、シリコンカーバイド、シリコンオキシカーバイド、シリコンナイトライド、シリコンオキシナイトライド、シリコンオキサイド等を用いる。   Next, as shown in FIG. 2C, a seal insulating film 17 having a thickness of, for example, 3 nm is deposited. As the seal insulating film 17 in this case, silicon carbide, silicon oxycarbide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon oxide, or the like is used.

次いで、図3(d)に示すように、ドライエッチングによってキャップ膜15の表面と配線用凹部16の底面に堆積したシール絶縁膜17を除去して、配線用凹部16の側壁にのみシール絶縁膜17を残存させる。   Next, as shown in FIG. 3D, the seal insulating film 17 deposited on the surface of the cap film 15 and the bottom surface of the wiring recess 16 is removed by dry etching, and the seal insulating film is formed only on the side wall of the wiring recess 16. 17 remains.

次いで、図3(e)に示すように、配線用凹部16の内面を厚さが0.5nm〜10nmの酸化物バリア膜18で被覆する。この場合の酸化物バリア膜18は、酸素雰囲気中でRuをスパッタリングして形成した酸化ルテニウム膜がシール絶縁膜17との密着性の観点から好適である。   Next, as shown in FIG. 3E, the inner surface of the wiring recess 16 is covered with an oxide barrier film 18 having a thickness of 0.5 nm to 10 nm. In this case, the oxide barrier film 18 is preferably a ruthenium oxide film formed by sputtering Ru in an oxygen atmosphere from the viewpoint of adhesion to the seal insulating film 17.

次いで、図3(f)に示すように、酸化物バリア膜18の表面を厚さが2nm〜10nmの非晶質バリアメタル膜19で被覆する。この場合の非晶質バリアメタル膜19は、窒素雰囲気中でRuをスパッタリングすることによって形成した窒素を含有する非晶質ルテニウム膜がCu拡散阻止能力の観点から好適である。   Next, as shown in FIG. 3F, the surface of the oxide barrier film 18 is covered with an amorphous barrier metal film 19 having a thickness of 2 nm to 10 nm. The amorphous barrier metal film 19 in this case is preferably an amorphous ruthenium film containing nitrogen formed by sputtering Ru in a nitrogen atmosphere from the viewpoint of Cu diffusion prevention capability.

次いで、図4(g)に示すように、非晶質バリアメタル膜19の表面を厚さが3nm〜10nmの結晶性バリアメタル膜20で被覆する。この場合の結晶性バリアメタル膜20は、真空中でRuをスパッタリングすることによって形成した結晶性ルテニウム膜がCuとの密着性の観点から好適である。   Next, as shown in FIG. 4G, the surface of the amorphous barrier metal film 19 is covered with a crystalline barrier metal film 20 having a thickness of 3 nm to 10 nm. The crystalline barrier metal film 20 in this case is preferably a crystalline ruthenium film formed by sputtering Ru in a vacuum from the viewpoint of adhesion with Cu.

次いで、図4(h)に示すように、結晶性バリアメタル膜20の表面上に無電解メッキ法によって厚さが、例えば、30nmのCuめっきシード層21を形成する。シード層はストッパを用いて形成しても差し支えない。その場合、バリアメタル層を形成後、連続で真空中で成膜されることが望ましい。次いで、電解めっき法を用いて凹部を完全に埋め込むようにCuめっき膜22を成膜する。   Next, as shown in FIG. 4H, a Cu plating seed layer 21 having a thickness of, for example, 30 nm is formed on the surface of the crystalline barrier metal film 20 by an electroless plating method. The seed layer may be formed using a stopper. In that case, it is desirable that the barrier metal layer be formed continuously in vacuum after the barrier metal layer is formed. Next, a Cu plating film 22 is formed so as to completely fill the concave portion by using an electrolytic plating method.

次いで、図5(i)に示すように、CMP処理を施すことによって、キャップ膜15が露出するまで研磨することによって平坦化してCu埋込配線23を形成する。このCMP工程において、相対的に硬い結晶性バリアメタル膜20及び非晶質バリアメタル膜19を研磨する際に、例えば、2.5psi程度の高圧研磨を行う。   Next, as shown in FIG. 5I, by performing a CMP process, polishing is performed until the cap film 15 is exposed, and the Cu embedded wiring 23 is formed by flattening. In this CMP process, when the relatively hard crystalline barrier metal film 20 and amorphous barrier metal film 19 are polished, for example, high pressure polishing of about 2.5 psi is performed.

一方、相対的に脆い酸化物バリア膜18を研磨する際には、研磨後の配線表面におけるスクラッチ発生を抑制するために、酸またはアルカリ性スラリーで1psi程度の低圧研磨を行う。スクラッチの発生を抑制することによって、TDDB試験時におけるリークパスの無い配線を形成することが可能になる。なお、バリア膜研磨の際、研磨残りを回避する点から、20nm〜40nm程度の削り込みを行う。   On the other hand, when the relatively fragile oxide barrier film 18 is polished, low pressure polishing of about 1 psi is performed with an acid or alkaline slurry in order to suppress generation of scratches on the polished wiring surface. By suppressing the occurrence of scratches, it is possible to form a wiring without a leak path during the TDDB test. Note that, when the barrier film is polished, the etching is performed by about 20 nm to 40 nm in order to avoid polishing residue.

次いで、平坦化を行った後、表面を酸性またはアルカリ性の溶液で表面を洗浄することにより、研磨後の残留メタルを除去することが望ましい。この場合の洗浄後の配線表面における絶縁膜部のメタル濃度が5×1011atom/cm2 以下になるまで洗浄することが望ましい。なお、表面の研磨残渣等の異物を除去するために二流体スプレー等で処理を行っても差し支えない。 Next, after planarization, it is desirable to remove the residual metal after polishing by washing the surface with an acidic or alkaline solution. In this case, it is desirable to perform cleaning until the metal concentration of the insulating film portion on the wiring surface after cleaning becomes 5 × 10 11 atoms / cm 2 or less. In addition, in order to remove foreign substances, such as a grinding | polishing residue of a surface, it does not interfere even if it processes with a two-fluid spray.

次いで、図5(j)に示すように、平坦化された表面上に、再び、厚さが、例えば、30nmのシリコンオキシカーバイド等からなるエッチングストッパー膜24を形成する。以降は、層間絶縁膜及びキャップ膜の堆積工程、配線用凹部或いはビアホールの形成工程、シール絶縁膜の形成工程、多層バリア層の形成工程、Cuの堆積工程、平坦化工程を必要とする多層構造の積層数に応じて順次行う。   Next, as shown in FIG. 5J, an etching stopper film 24 made of silicon oxycarbide having a thickness of, for example, 30 nm is formed again on the planarized surface. Thereafter, a multilayer structure requiring an interlayer insulating film and cap film deposition process, a wiring recess or via hole formation process, a seal insulating film formation process, a multilayer barrier layer formation process, a Cu deposition process, and a planarization process. This is performed sequentially according to the number of stacked layers.

このように、本発明の実施の形態においては、配線用凹部の側壁をシール絶縁膜で被覆したのち、3層構造のバリア層を設けているので、バリア層の層間絶縁膜及びCuに対する密着性と、Cu拡散防止とを両立することが可能となる。また、バリア層の層間絶縁膜及びCuに対する密着性が良好であるので、CMP処理においてせん断応力による剥離が生ずることがない。   As described above, in the embodiment of the present invention, since the barrier layer having the three-layer structure is provided after the sidewall of the wiring recess is covered with the seal insulating film, the adhesion of the barrier layer to the interlayer insulating film and Cu is provided. And Cu diffusion prevention can be achieved at the same time. In addition, since the barrier layer has good adhesion to the interlayer insulating film and Cu, peeling due to shear stress does not occur in the CMP process.

この実施の形態の配線構造について、幅/スペース=70nm/70nmで長さが1mmの櫛歯パターンを用いて、150℃の温度において30Vの電圧を印加してTDDB試験を行った。その結果、試験時間100時間で100チップ中不良発生は0個であったのに対し、バリアメタルとして結晶性ルテニウムのみを成膜した場合、不良発生は90個であった。   With respect to the wiring structure of this embodiment, a TDDB test was performed by applying a voltage of 30 V at a temperature of 150 ° C. using a comb-tooth pattern having a width / space = 70 nm / 70 nm and a length of 1 mm. As a result, there were no defects in 100 chips at a test time of 100 hours, whereas there were 90 defects when only crystalline ruthenium was deposited as a barrier metal.

次に、エレクトロマイグレーション耐性試験を行った。図6は本発明におけるエレクトロマイグレーション試験パターンの概略的断面図であり、1層目Cu埋込配線41及び2層目Cu埋込配線43はそれぞれ幅70nm、厚さ100nm、長さ200μmとした。また、ビア42は直径70nm、高さ100μmとした。   Next, an electromigration resistance test was performed. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the electromigration test pattern in the present invention. The first-layer Cu embedded wiring 41 and the second-layer Cu embedded wiring 43 have a width of 70 nm, a thickness of 100 nm, and a length of 200 μm, respectively. The via 42 has a diameter of 70 nm and a height of 100 μm.

この図6に示すエレクトロマイグレーション評価用パターンを用いて、300℃の温度において、0.2mAの電流を流して試験を行った。その結果、試験時間50時間で100チップ中不良発生は0個であったのに対し、バリアメタルとして結晶性ルテニウムのみを成膜した場合不良発生は84個であった。   Using the electromigration evaluation pattern shown in FIG. 6, a test was performed by passing a current of 0.2 mA at a temperature of 300.degree. As a result, in the test time of 50 hours, there were 0 defects in 100 chips, whereas when only crystalline ruthenium was deposited as a barrier metal, 84 defects were generated.

また、効果を確認するために比較例1乃至比較例3を作製して本発明の実施の形態と同様の条件でTDDB試験及びエレクトロマイグレーション耐性試験を行った。
比較例1はシール絶縁膜を形成せずに、配線用凹部の側壁に酸化ルテニウムのみを成膜した構造とした。TDDB試験においては、試験時間100時間で100チップ中不良発生は100個であった。また、エレクトロマイグレーション耐性試験においては、試験時間50時間で100チップ中不良発生は20個であった。
Further, in order to confirm the effect, Comparative Examples 1 to 3 were prepared, and a TDDB test and an electromigration resistance test were performed under the same conditions as in the embodiment of the present invention.
Comparative Example 1 has a structure in which only the ruthenium oxide film is formed on the side wall of the wiring recess without forming the seal insulating film. In the TDDB test, 100 defects occurred in 100 chips in a test time of 100 hours. In the electromigration resistance test, 20 defects occurred in 100 chips in a test time of 50 hours.

また、比較例2はバリア膜として酸化ルテニウムのみを成膜した構造とした。TDDB試験においては、試験時間100時間で100チップ中不良発生は20個であった。また、エレクトロマイグレーション耐性試験においては、試験時間50時間で100チップ中不良発生は100個であった。   Comparative Example 2 has a structure in which only ruthenium oxide is formed as a barrier film. In the TDDB test, 20 defects occurred in 100 chips in a test time of 100 hours. In the electromigration resistance test, 100 defects occurred in 100 chips in a test time of 50 hours.

また、比較例3はバリア膜として非晶質ルテニウムのみを成膜した構造とした。TDDB試験においては、試験時間100時間で100チップ中不良発生は100個であった。また、エレクトロマイグレーション耐性試験においては、試験時間50時間で100チップ中不良発生は100個であった。   Comparative Example 3 has a structure in which only amorphous ruthenium is formed as a barrier film. In the TDDB test, 100 defects occurred in 100 chips in a test time of 100 hours. In the electromigration resistance test, 100 defects occurred in 100 chips in a test time of 50 hours.

このように、本発明の実施の形態においては3層構造のバリア層を用いており、酸化物バリア層はRu単体或いは窒素含有Ruと比べて、絶縁膜と密着性が良好であるため、SiOC等の絶縁膜と非晶質バリアメタル膜との間の密着層として機能する。   Thus, in the embodiment of the present invention, a barrier layer having a three-layer structure is used, and the oxide barrier layer has better adhesion to the insulating film than Ru alone or nitrogen-containing Ru. It functions as an adhesion layer between an insulating film such as an amorphous barrier metal film.

また、酸化物バリア膜は非晶質バリアメタル膜とシール絶縁膜とに挟まれた構造となるため、外部ならびにCu埋込配線側にRuが拡散することがない。更に非晶質バリアメタル成膜時に発生するトレンチ側壁に対するメタル打ち込みを緩和することができる。また、非晶質バリアメタル膜上に結晶性バリアメタル膜を成膜することで、Cu埋込配線との密着性の良好なバリアメタル層を形成することができる。   Further, since the oxide barrier film has a structure sandwiched between the amorphous barrier metal film and the seal insulating film, Ru does not diffuse to the outside and the Cu embedded wiring side. Furthermore, metal implantation on the trench side wall that occurs during the formation of the amorphous barrier metal film can be mitigated. Further, by forming a crystalline barrier metal film on the amorphous barrier metal film, it is possible to form a barrier metal layer having good adhesion to the Cu embedded wiring.

以上を前提として、次に、図7を参照して本発明の実施例1の半導体装置の製造工程を説明する。図3は、本発明の実施例1による製造方法で作製した半導体装置の概略的断面図であり、まず、例えば、直径が300mmのシリコン基板51の表面にシャロートレンチアイソレーション(STI)による素子分離絶縁膜52を形成し、この素子分離絶縁膜52で囲まれた活性領域内に、MOSFET53を形成する。   Based on the above, next, the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to Embodiment 1 of the present invention. First, for example, element isolation by shallow trench isolation (STI) is performed on the surface of a silicon substrate 51 having a diameter of 300 mm. An insulating film 52 is formed, and a MOSFET 53 is formed in the active region surrounded by the element isolation insulating film 52.

このMOSFET53は、ゲート絶縁膜54、ゲート電極55、ソース領域57、及び、ドレイン領域58で構成される。ゲート電極55の側壁にはサイドウォール56が設けられており、ソース領域57及びドレイン領域58のゲート電極寄りにはエクテンション領域が形成されている。   The MOSFET 53 includes a gate insulating film 54, a gate electrode 55, a source region 57, and a drain region 58. Sidewalls 56 are provided on the side walls of the gate electrode 55, and extension regions are formed near the gate electrodes of the source region 57 and the drain region 58.

次いで、例えば、CVD法を用いて全面にリンガラス(PSG)からなる厚さ1.5μmの層間絶縁膜59を堆積させたのち、層間絶縁膜59を貫通するとともにソース領域57及びドレイン領域58に達する2本のビアホールを形成する。このビアホール内にCMP法を用いてTiN膜を介してタングステン(W)からなる導電性プラグ60,61で充填する。   Next, for example, a 1.5 μm-thick interlayer insulating film 59 made of phosphorus glass (PSG) is deposited on the entire surface by using, for example, a CVD method, and then penetrates the interlayer insulating film 59 and is formed in the source region 57 and the drain region 58. Two via holes are formed. The via hole is filled with conductive plugs 60 and 61 made of tungsten (W) through a TiN film using a CMP method.

次いで、例えば、原料ガスとしてテトラメチルシランならびに炭酸ガスを用いたCVDにより、層間絶縁膜59上にエッチングストッパーとなる比誘電率が3.6のSiOC膜62を形成する。成膜条件は、下記の通りである。
テトラメチルシランの流量:500sccm
炭酸ガスの流量:150sccm
圧力:約600Pa(4.5Torr)
13.56MHzのRF電力:600W
400kHzのRF電力:10W
基板温度:400℃
とした。
なお、RF電力を投入するための平行平板電極の面積は、シリコン基板51の面積とほぼ等しい。
Next, the SiOC film 62 having a relative dielectric constant of 3.6 serving as an etching stopper is formed on the interlayer insulating film 59 by, for example, CVD using tetramethylsilane and carbon dioxide as source gases. The film forming conditions are as follows.
Tetramethylsilane flow rate: 500 sccm
Carbon dioxide gas flow rate: 150sccm
Pressure: about 600 Pa (4.5 Torr)
13.56 MHz RF power: 600 W
400 kHz RF power: 10 W
Substrate temperature: 400 ° C
It was.
Note that the area of the parallel plate electrode for supplying RF power is substantially equal to the area of the silicon substrate 51.

次いで、SiOC膜62上に、例えば、k値2.6以下の低誘電率絶縁材料、例えば、ポーラスLow−k材料であるBlack Diamond(AMAT社製商品名)を成膜して厚さが、例えば、100nmのポーラスシリカ膜63を形成する。次いで、全面に厚さが、例えば、60nmのSiOキャップ膜64を成膜する。 Next, on the SiOC film 62, for example, a low dielectric constant insulating material having a k value of 2.6 or less, for example, Black Diamond (trade name, manufactured by AMAT), which is a porous low-k material, is formed to have a thickness. For example, a 100 nm porous silica film 63 is formed. Next, a SiO 2 cap film 64 having a thickness of 60 nm, for example, is formed on the entire surface.

次いで、配線用トレンチの内面が厚さ3nmのSiOC膜で覆ったのち、ドライエッチングによって配線用トレンチの底面とSiOキャップ膜64の表面に堆積したSiOC膜を除去して配線用トレンチの側壁を覆うシール絶縁膜66を形成する。 Next, after the inner surface of the wiring trench is covered with the SiOC film having a thickness of 3 nm, the SiOC film deposited on the bottom surface of the wiring trench and the surface of the SiO 2 cap film 64 is removed by dry etching, so that the sidewall of the wiring trench is removed. A sealing insulating film 66 is formed to cover it.

次いで、スパッタリング法を用いて配線用トレンチの内面に厚さが1nmの酸化Ru膜67、厚さが3nmの窒素を含む非晶質Ru膜68、及び、厚さが5nmの窒素を含まない結晶性Ru膜69を順次成膜して3層構造のバリア膜65を形成する。   Next, using a sputtering method, an oxidized Ru film 67 having a thickness of 1 nm, an amorphous Ru film 68 containing nitrogen having a thickness of 3 nm, and a crystal not containing nitrogen having a thickness of 5 nm are formed on the inner surface of the wiring trench. A barrier film 65 having a three-layer structure is formed by sequentially forming a functional Ru film 69.

次いで、無電解めっき法により厚さが30nmのCuめっきシード層71を形成したのち、電解めっき法によりCuめっき膜72を形成する。次いで、SiOキャップ膜64が露出するまでCMP処理を行ってCu埋込配線70を形成する。 Next, after forming a Cu plating seed layer 71 having a thickness of 30 nm by an electroless plating method, a Cu plating film 72 is formed by an electrolytic plating method. Next, a CMP process is performed until the SiO 2 cap film 64 is exposed to form a Cu embedded wiring 70.

次いで、全面に再びエッチングストッパーとなる厚さが、例えば、30nmSiOC膜73、厚さが、例えば、150nmのポーラスシリカ膜74、ミドルストッパーとなる厚さが、例えば、30nmのSiOC膜75、厚さが、例えば、150nmのポーラスシリカ膜76、及び、厚さが、例えば、100nmのSiOキャップ膜77を順次堆積する。 Next, the thickness that again becomes an etching stopper on the entire surface is, for example, a 30 nm SiOC film 73, the thickness is, for example, 150 nm of porous silica film 74, and the thickness that becomes the middle stopper is, for example, a 30 nm SiOC film 75, thickness However, for example, a porous silica film 76 having a thickness of 150 nm and a SiO 2 cap film 77 having a thickness of, for example, 100 nm are sequentially deposited.

次いで、SiOキャップ膜77乃至SiOC膜75に配線用トレンチを形成するとともに、ポーラスシリカ膜74及びSiOC膜73にCu埋込配線70に達するビアホールを形成する。 Next, wiring trenches are formed in the SiO 2 cap film 77 to the SiOC film 75, and via holes reaching the Cu embedded wiring 70 are formed in the porous silica film 74 and the SiOC film 73.

次いで、スパッタリング法を用いて配線用トレンチ及びビアホールの内面に厚さが1nmの酸化Ru膜、厚さが3nmの窒素を含む非晶質Ru膜、及び、厚さが5nmの窒素を含まない結晶性Ru膜を順次成膜して3層構造のバリア膜78を形成する。   Next, an oxide Ru film having a thickness of 1 nm, an amorphous Ru film containing nitrogen having a thickness of 3 nm, and a crystal not containing nitrogen having a thickness of 5 nm are formed on the inner surfaces of the wiring trench and the via hole by sputtering. A barrier film 78 having a three-layer structure is formed by sequentially forming a reactive Ru film.

次いで、無電解めっき法により厚さが30nmのCuめっきシード層を形成したのち、電解めっき法によりCuめっき膜を形成する。次いで、SiOキャップ膜77が露出するまでCMP処理を行ってCu埋込配線80及びCuプラグ79を形成する。 Next, after forming a Cu plating seed layer having a thickness of 30 nm by an electroless plating method, a Cu plating film is formed by an electrolytic plating method. Next, a CMP process is performed until the SiO 2 cap film 77 is exposed to form a Cu buried wiring 80 and a Cu plug 79.

次いで、必要とする多層配線構造の数に応じてデュアルダマシン工程を繰り返したのち、最も上のCu埋込配線81を含む配線層の上に、再びエッチングストッパーとなる厚さが、例えば、30nmSiOC膜82、及び、厚さが、例えば、150nmのポーラスシリカ膜83を形成する。   Next, after the dual damascene process is repeated according to the number of multilayer wiring structures required, a thickness that becomes an etching stopper is again formed on the wiring layer including the uppermost Cu embedded wiring 81, for example, a 30 nm SiOC film. 82 and a porous silica film 83 having a thickness of, for example, 150 nm is formed.

次いで、ポーラスシリカ膜83及びSiOC膜82を貫通するとともにCu埋込配線81に達するビアホールを形成したのち、TiN膜を介してWを埋め込んでCMP処理することによってWプラグ84を形成する。   Next, after forming a via hole that penetrates the porous silica film 83 and the SiOC film 82 and reaches the Cu buried wiring 81, a W plug 84 is formed by embedding W through the TiN film and performing CMP treatment.

次いで、ポーラスシリカ膜83の上にWプラグ84に接続されるアルミニウムからなるパッド85を形成したのち、パッド85及びポーラスシリカ膜83をSiN保護膜86で覆う。最後にSiN保護膜86にパッド85の表面を露出させる開口を形成することによって、本発明の実施例1の半導体装置の基本構成が完成する。   Next, after a pad 85 made of aluminum connected to the W plug 84 is formed on the porous silica film 83, the pad 85 and the porous silica film 83 are covered with a SiN protective film 86. Finally, an opening for exposing the surface of the pad 85 is formed in the SiN protective film 86, whereby the basic configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is completed.

なお、上記の実施例の説明においては、Cu埋込配線70はバリア膜65を介してWプラグ61と接続されている。しかし、バリア膜65の成膜時のスパッタ条件を調整することにより、配線用トレンチの底部にバリア膜65が堆積しない条件でバリア膜65を成膜しても良い。その結果、Cu埋込配線70とWプラグ61との間には比較的高抵抗なバリア膜65が存在しないので、直列抵抗がより低くなる。   In the description of the above embodiment, the Cu embedded wiring 70 is connected to the W plug 61 via the barrier film 65. However, the barrier film 65 may be formed under the condition that the barrier film 65 is not deposited on the bottom of the wiring trench by adjusting the sputtering conditions when forming the barrier film 65. As a result, since the relatively high resistance barrier film 65 does not exist between the Cu embedded wiring 70 and the W plug 61, the series resistance becomes lower.

ここで、実施例1を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を開示する。
(付記1) 絶縁膜と、前記絶縁膜に設けられた凹部と、前記凹部の側壁に形成されたシール絶縁膜と、前記凹部内であって、前記シール絶縁膜の内側に順に設けられた第1の導電性バリア層、第2の導電性バリア層、及び、第3の導電性バリア層を介して形成されたCu系埋込電極を設けた半導体装置であって、前記第3の導電性バリア層は、前記第2の導電性バリア層よりCu系埋込電極との密着性が優れており、前記第2の導電性バリア層は、前記第3の導電性バリア層よりCu拡散阻止能力が高く、且つ、前記第1の導電性バリア層は、前記第2の導電性バリア層より前記側壁をシールする絶縁膜との密着性が優れていることを特徴とする半導体装置。
(付記2) 前記シール絶縁膜は、シリコンカーバイド、シリコンオキシカーバイド、シリコンナイトライド、シリコンオキシナイトライド、シリコンオキサイドのうちのいずれかであることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3) 前記第1の導電性バリア層が、酸化ルテニウムであることを特徴とする付記1または付記2に記載の半導体装置。
(付記4) 前記第2の導電性バリア層が、窒素を含む非晶質性のルテニウムであることを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1に記載の半導体装置。
(付記5) 前記第3の導電性バリア層が、窒素を含まない結晶性のルテニウムであることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1に記載の半導体装置。
(付記6) 前記Cu系埋込電極を埋め込んだ前記絶縁膜の前記Cu系埋込電極の上面と同じ高さの位置の表面のメタル濃度が、5×1011atom/cm2 以下であることを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1に記載の半導体装置。
(付記7) 絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部の側壁にシール絶縁膜を形成する工程と、前記凹部内であって前記シール絶縁膜の内側に第1の導電性バリア層を成膜する工程と、前記第1の導電性バリア層上に前記第1の導電性バリア層よりCu拡散阻止能力が高い第2の導電性バリア層を成膜する工程と、前記第2の導電性バリア層上に前記第2の導電性バリア層よりCuに対する密着性が優れる第3の導電性バリア層を成膜する工程と、前記第3の導電性バリア層上に前記凹部を埋め込むようにCu系電極材料を堆積する工程と、前記Cu系電極材料と、前記第3の導電性バリア層と、前記第2の導電性バリア層と、前記第1の導電性バリア層とを前記凹部を形成した絶縁膜の表面が露出するまで化学機械研磨を行って研磨する工程とを有し、前記第1の導電性バリア層は、前記第2の導電性バリア層より前記シール絶縁膜との密着性が優れていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記8) 前記平坦化する工程の後に、前記露出した絶縁膜の表面のメタル濃度が、5×1011atom/cm2 以下になるまで、酸性またはアルカリ性の溶液で前記露出した絶縁膜の表面を洗浄する工程を有することを特徴とする付記7に記載の半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記第1の導電性バリア層の成膜工程が、酸素を含む雰囲気中でルテニウムを物理気相堆積法により成膜する工程であることを特徴とする付記7または付記8に記載の半導体装置の製造方法。
(付記10) 前記第2の導電性バリア層の成膜工程が、窒素を含む雰囲気中でルテニウムを物理気相堆積法により成膜する工程であることを特徴とする付記7乃至付記9のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
(付記11) 前記第3の導電性バリア層の成膜工程が、窒素及び窒素を含まない雰囲気中でルテニウムを物理気相堆積法により成膜する工程であることを特徴とする付記7乃至付記10のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
Here, regarding the embodiment of the present invention including Example 1, the following additional notes are disclosed.
(Additional remark 1) The insulating film, the recessed part provided in the said insulating film, the sealing insulating film formed in the side wall of the said recessed part, and the inside of the said recessed part, Comprising: A semiconductor device provided with a Cu-based embedded electrode formed through one conductive barrier layer, a second conductive barrier layer, and a third conductive barrier layer, wherein the third conductive The barrier layer has better adhesion to the Cu-based embedded electrode than the second conductive barrier layer, and the second conductive barrier layer is more capable of preventing Cu diffusion than the third conductive barrier layer. The semiconductor device is characterized in that the first conductive barrier layer has higher adhesion to the insulating film that seals the side wall than the second conductive barrier layer.
(Supplementary note 2) The semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the seal insulating film is any one of silicon carbide, silicon oxycarbide, silicon nitride, silicon oxynitride, and silicon oxide.
(Supplementary Note 3) The semiconductor device according to Supplementary Note 1 or 2, wherein the first conductive barrier layer is ruthenium oxide.
(Supplementary note 4) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 3, wherein the second conductive barrier layer is amorphous ruthenium containing nitrogen.
(Supplementary note 5) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 4, wherein the third conductive barrier layer is crystalline ruthenium containing no nitrogen.
(Supplementary note 6) The metal concentration of the surface of the insulating film embedded with the Cu-based embedded electrode at the same height as the upper surface of the Cu-based embedded electrode is 5 × 10 11 atoms / cm 2 or less. The semiconductor device according to any one of appendix 1 to appendix 5, wherein:
(Appendix 7) A step of forming a recess in the insulating film, a step of forming a seal insulating film on the side wall of the recess, and a first conductive barrier layer in the recess and inside the seal insulating film. A step of forming a film, a step of forming a second conductive barrier layer having a higher Cu diffusion prevention capability than the first conductive barrier layer on the first conductive barrier layer, and the second conductive property. Forming a third conductive barrier layer having better adhesion to Cu than the second conductive barrier layer on the barrier layer, and Cu so as to embed the recesses on the third conductive barrier layer. A step of depositing a system electrode material, the Cu system electrode material, the third conductive barrier layer, the second conductive barrier layer, and the first conductive barrier layer forming the recess Polishing is performed by chemical mechanical polishing until the surface of the insulating film is exposed. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first conductive barrier layer has better adhesion to the seal insulating film than the second conductive barrier layer.
(Supplementary Note 8) After the planarization step, the surface of the exposed insulating film with an acidic or alkaline solution until the metal concentration on the surface of the exposed insulating film is 5 × 10 11 atoms / cm 2 or less. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 7, further comprising a step of cleaning the substrate.
(Supplementary note 9) The supplementary note 7 or the supplementary note 8, wherein the film forming step of the first conductive barrier layer is a step of forming a film of ruthenium by a physical vapor deposition method in an atmosphere containing oxygen. Semiconductor device manufacturing method.
(Appendix 10) Any one of appendix 7 to appendix 9, wherein the film forming step of the second conductive barrier layer is a step of forming ruthenium by a physical vapor deposition method in an atmosphere containing nitrogen. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
(Supplementary Note 11) The supplementary note 7 to the supplementary note, wherein the film forming step of the third conductive barrier layer is a step of forming a ruthenium film by a physical vapor deposition method in an atmosphere not containing nitrogen and nitrogen. 10. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 10 above.

1 下地絶縁膜
2 プラグ
3 層間絶縁膜
4 絶縁膜
5 第1のバリアメタル膜
6 第2のバリアメタル膜
7 第3のバリアメタル膜
8 Cu配線
11 下地絶縁膜
12 プラグ
13 エッチングストッパー膜
14 層間絶縁膜
15 キャップ膜
16 配線用凹部
17 シール絶縁膜
18 酸化物バリア膜
19 非晶質バリアメタル膜
20 結晶性バリアメタル膜
21 Cuめっきシード層
22 Cuめっき膜
23 Cu埋込配線
24 エッチングストッパー膜
41 1層目Cu埋込配線
42 ビア
43 2層目Cu埋込配線
51 シリコン基板
52 素子分離絶縁膜
53 MOSFET
54 ゲート絶縁膜
55 ゲート電極
56 サイドウォール
57 ソース領域
58 ドレイン領域
59 層間絶縁膜
60,61,84 Wプラグ
62,73,75,82 SiOC膜
63,74,76,83 ポーラスシリカ膜
64,77 SiOキャップ膜
65,78 バリア膜
66 シール絶縁膜
67 酸化Ru膜
68 非晶質Ru膜
69 結晶性Ru膜
70,80,81 Cu埋込配線
71 Cuめっきシード層
72 Cuめっき膜
79 Cuプラグ
85 Alパッド
86 SiN保護膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base insulating film 2 Plug 3 Interlayer insulating film 4 Insulating film 5 1st barrier metal film 6 2nd barrier metal film 7 3rd barrier metal film 8 Cu wiring 11 Base insulating film 12 Plug 13 Etching stopper film 14 Interlayer insulation Film 15 Cap film 16 Recess 17 for wiring 17 Seal insulating film 18 Oxide barrier film 19 Amorphous barrier metal film 20 Crystalline barrier metal film 21 Cu plating seed layer 22 Cu plating film 23 Cu embedded wiring 24 Etching stopper film 41 1 Layer Cu embedded wiring 42 Via 43 Second layer Cu embedded wiring 51 Silicon substrate 52 Element isolation insulating film 53 MOSFET
54 Gate insulating film 55 Gate electrode 56 Side wall 57 Source region 58 Drain region 59 Interlayer insulating films 60, 61, 84 W plugs 62, 73, 75, 82 SiOC films 63, 74, 76, 83 Porous silica films 64, 77 SiO 2 Cap films 65, 78 Barrier film 66 Seal insulating film 67 Ru oxide film 68 Amorphous Ru film 69 Crystalline Ru film 70, 80, 81 Cu embedded wiring 71 Cu plating seed layer 72 Cu plating film 79 Cu plug 85 Al Pad 86 SiN protective film

Claims (5)

絶縁膜と、
前記絶縁膜に設けられた凹部と、
前記凹部の側壁に形成されたシール絶縁膜と、
前記凹部内であって、前記シール絶縁膜の内側に順に設けられた第1の導電性バリア層、第2の導電性バリア層、及び、第3の導電性バリア層を介して形成されたCu系埋込電極を設けた半導体装置であって、
前記第3の導電性バリア層は、前記第2の導電性バリア層よりCu系埋込電極との密着性が優れており、
前記第2の導電性バリア層は、前記第3の導電性バリア層よりCu拡散阻止能力が高く、且つ、
前記第1の導電性バリア層は、前記第2の導電性バリア層より前記側壁をシールする絶縁膜との密着性が優れている
ことを特徴とする半導体装置。
An insulating film;
A recess provided in the insulating film;
A seal insulating film formed on the sidewall of the recess;
Cu formed in the recess through the first conductive barrier layer, the second conductive barrier layer, and the third conductive barrier layer provided in order inside the seal insulating film. A semiconductor device provided with a system embedded electrode,
The third conductive barrier layer has better adhesion to the Cu-based embedded electrode than the second conductive barrier layer,
The second conductive barrier layer has a higher Cu diffusion blocking capability than the third conductive barrier layer, and
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductive barrier layer has better adhesion to the insulating film that seals the side wall than the second conductive barrier layer.
前記第1の導電性バリア層が、酸化ルテニウムであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductive barrier layer is ruthenium oxide. 前記第2の導電性バリア層が、窒素を含む非晶質性のルテニウムであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second conductive barrier layer is amorphous ruthenium containing nitrogen. 前記第3の導電性バリア層が、窒素を含まない結晶性のルテニウムであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the third conductive barrier layer is crystalline ruthenium that does not contain nitrogen. 5. 絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の側壁にシール絶縁膜を形成する工程と、
前記凹部内であって前記シール絶縁膜の内側に第1の導電性バリア層を成膜する工程と、
前記第1の導電性バリア層上に前記第1の導電性バリア層よりCu拡散阻止能力が高い第2の導電性バリア層を成膜する工程と、
前記第2の導電性バリア層上に前記第2の導電性バリア層よりCuに対する密着性が優れる第3の導電性バリア層を成膜する工程と、
前記第3の導電性バリア層上に前記凹部を埋め込むようにCu系電極材料を堆積する工程と、
前記Cu系電極材料と、前記第3の導電性バリア層と、前記第2の導電性バリア層と、前記第1の導電性バリア層とを前記凹部を形成した絶縁膜の表面が露出するまで化学機械研磨を行って研磨する工程と
を有し、前記第1の導電性バリア層は、前記第2の導電性バリア層より前記シール絶縁膜との密着性が優れていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a recess in the insulating film;
Forming a seal insulating film on the side wall of the recess;
Forming a first conductive barrier layer in the recess and inside the seal insulating film;
Forming a second conductive barrier layer on the first conductive barrier layer, the second conductive barrier layer having a higher Cu diffusion blocking ability than the first conductive barrier layer;
Forming a third conductive barrier layer having better adhesion to Cu than the second conductive barrier layer on the second conductive barrier layer;
Depositing a Cu-based electrode material on the third conductive barrier layer so as to embed the recess;
The Cu-based electrode material, the third conductive barrier layer, the second conductive barrier layer, and the first conductive barrier layer are exposed until the surface of the insulating film in which the recess is formed is exposed. The first conductive barrier layer has better adhesion to the seal insulating film than the second conductive barrier layer. A method for manufacturing a semiconductor device.
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