JP2012212909A - Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve reliability in wiring.SOLUTION: A semiconductor device manufacturing method comprises the steps of: sequentially forming a wiring layer 11 and an interlayer insulation film 12 on a semiconductor substrate; forming trench grooves 13 in the interlayer insulation film 12 and via holes 14 reaching the wiring layer 11 in the trench grooves 13; depositing a metal film 15 made from any one of titanium, zirconium and manganese or an alloy of titanium, zirconium and manganese in the trench grooves 13, in the via holes 14 and on the interlayer insulation film 12; etching the metal film 15 on bottoms of the via holes 14 by using a sputtering method, and depositing a metal film 16 made from any one of tantalum and tungsten, or an alloy of tantalum and tungsten on bottoms and sidewalls of the trench grooves 13 and sidewalls of the via holes 14; further generating a new metal film on the sidewalls of the via holes 14 by respective metals; and forming a wiring layer by filling a conductive material 17a in the via holes 14 and the trench grooves 13.

Description

本発明は半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特に、多層配線構造を備える半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure and a semiconductor device.

近年、トランジスタ寸法の微細化による高性能化および高集積化の要求にともなって、ワンチップに搭載するトランジスタの数が増加している。トランジスタ数が数千個を超えてくると、1層だけの金属配線ではすべての接続が不可能となる。また、同様にチップサイズが増大するため、回路ブロック間の配線長は長くなり、配線を通した電気信号の伝搬遅延が大きくなる。   In recent years, the number of transistors mounted on a single chip is increasing with the demand for higher performance and higher integration by miniaturization of transistor dimensions. When the number of transistors exceeds several thousand, it is impossible to make all connections with only one layer of metal wiring. Similarly, since the chip size increases, the wiring length between circuit blocks becomes long, and the propagation delay of the electric signal through the wiring increases.

これらを解消するために、金属配線間を、ビア孔を介して相互接続する多層配線構造が利用されている。また、金属配線材料として、低抵抗の銅(Cu)が採用されている。Cu配線を形成する場合、Cuの拡散を防止するためのバリア層を、層間絶縁膜とCu配線との間に形成する必要がある。   In order to solve these problems, a multilayer wiring structure in which metal wirings are interconnected via via holes is used. Further, low resistance copper (Cu) is adopted as a metal wiring material. When forming the Cu wiring, it is necessary to form a barrier layer for preventing the diffusion of Cu between the interlayer insulating film and the Cu wiring.

以下に、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法に関する2つの従来例について説明する。
従来例1として、図11,12は、従来の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法の断面模式図である。図11,12は非特許文献1に開示されたCu多層配線構造を有する半導体装置について示している。
In the following, two conventional examples relating to a method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure will be described.
As Conventional Example 1, FIGS. 11 and 12 are schematic cross-sectional views of a method of manufacturing a semiconductor device having a conventional multilayer wiring structure. 11 and 12 show a semiconductor device having a Cu multilayer wiring structure disclosed in Non-Patent Document 1. FIG.

まず、絶縁層101aにハードマスク膜を用いて開口したトレンチ溝の全面に成膜されたCuの拡散防止層(バリア層)であるタンタル(Ta)膜101cの全面に、さらにCu層101dを埋め込み、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて配線層101を形成する。   First, a Cu layer 101d is further embedded on the entire surface of a tantalum (Ta) film 101c, which is a Cu diffusion prevention layer (barrier layer) formed on the entire surface of a trench groove opened using a hard mask film in the insulating layer 101a. The wiring layer 101 is formed using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.

配線層101上に、さらに、Cuバリア絶縁膜102aを介して、層間絶縁膜102を成膜する。
この層間絶縁膜102に、ハードマスク膜102bを用いて、ビア孔103およびトレンチ溝104からなる開口部を形成する。
An interlayer insulating film 102 is further formed on the wiring layer 101 via a Cu barrier insulating film 102a.
An opening made of the via hole 103 and the trench groove 104 is formed in the interlayer insulating film 102 using the hard mask film 102b.

そして、ビア孔103、トレンチ溝104およびハードマスク膜102bの全面にバリア層として、Ta膜105を成膜する。なお、Ta膜105の成膜には、ロングスロースパッタ法を用いて、ターゲット電源を1kWから18kW、基板バイアスが0W、平坦部すなわちトレンチ溝104が形成されていないハードマスク膜102b上において、堆積速度(Vd)が1nm/secおよびエッチング速度(Ve)が0nm/secの条件で、Ta膜105の膜厚が15nmとなるように成膜した(以上、図11(A))。   Then, a Ta film 105 is formed as a barrier layer on the entire surface of the via hole 103, the trench groove 104, and the hard mask film 102b. The Ta film 105 is deposited using a long throw sputtering method on a hard mask film 102b where the target power source is 1 kW to 18 kW, the substrate bias is 0 W, and the flat portion, that is, the trench groove 104 is not formed. The Ta film 105 was deposited to a thickness of 15 nm under the conditions of a speed (Vd) of 1 nm / sec and an etching speed (Ve) of 0 nm / sec (above, FIG. 11A).

次に、Taターゲットを用いてスパッタしながら、ビア孔103の底部に堆積したTa膜105をスパッタエッチングする工程を行う。すなわち、ビア孔103の底部に成膜されたTa膜105を、Taイオン106やアルゴン(Ar)イオン(不図示)などでエッチングする。これは、Ta膜105の成膜をスパッタ法で行いつつ、同時にTaイオン106やArイオンで、堆積したTa膜105や下地の一部をスパッタエッチングするものである。エッチングによって、ビア孔103の底部から飛散したTaイオンがビア孔103とトレンチ溝104との側壁に付着して、ビア孔103の底部のTa膜105が除去される。さらに、ビア孔103の底部のCu層101dの一部も除去してもよい。なお、このエッチングは、スパッタ法を用いて、ターゲット電源を1kWから5kW、基板バイアスを200Wから400Wとし、平坦部すなわちハードマスク膜102b上におけるTa膜105のVdとVeとの比(Vd/Ve)を、Vd/Ve≦1となるように、例えば、Vdを0.7nm/secおよびVeを0.9nm/secとして、スパッタを行う(以上、図11(B))。この条件においては、ビア孔103の底部において集中的にTa膜105のスパッタエッチングが行われ、図11(B)に示すような形状を得ることができる。ここでビア孔103に形成されたTa膜105を除去するのは、シート抵抗を抑えるためである。   Next, a process of sputter etching the Ta film 105 deposited on the bottom of the via hole 103 is performed while sputtering using a Ta target. That is, the Ta film 105 formed on the bottom of the via hole 103 is etched with Ta ions 106 or argon (Ar) ions (not shown). In this method, while the Ta film 105 is formed by the sputtering method, the deposited Ta film 105 and a part of the base are sputter-etched simultaneously with Ta ions 106 and Ar ions. Etching causes Ta ions scattered from the bottom of the via hole 103 to adhere to the sidewalls of the via hole 103 and the trench groove 104, and the Ta film 105 at the bottom of the via hole 103 is removed. Further, a part of the Cu layer 101d at the bottom of the via hole 103 may be removed. In this etching, sputtering is performed, the target power source is set to 1 kW to 5 kW, the substrate bias is set to 200 W to 400 W, and the ratio of Vd and Ve of the Ta film 105 on the flat portion, that is, the hard mask film 102b (Vd / Ve). ) Is sputtered so that Vd / Ve ≦ 1, for example, Vd is 0.7 nm / sec and Ve is 0.9 nm / sec (refer to FIG. 11B). Under these conditions, the Ta film 105 is intensively sputter-etched at the bottom of the via hole 103, and a shape as shown in FIG. 11B can be obtained. Here, the Ta film 105 formed in the via hole 103 is removed in order to suppress sheet resistance.

なお、エッチングによって除去されるビア孔103の底部のTa膜105は、完全に除去されずに、多少残ったままでもよい。この場合、ビア孔103の底部の膜厚は、トレンチ溝104の底部の膜厚よりも薄くなる。また、エッチングで使用するイオンは、ここではArイオンの場合を例としてあげたが、Taと反応しない、例えば、ヘリウム(He)、キセノン(Xe)などでも同様にエッチングを行うことが可能である。   Note that the Ta film 105 at the bottom of the via hole 103 removed by etching may not be completely removed and may remain a little. In this case, the film thickness at the bottom of the via hole 103 is thinner than the film thickness at the bottom of the trench groove 104. Further, the ions used in the etching are Ar ions as an example here, but it is also possible to perform etching in the same manner even if they do not react with Ta, for example, helium (He) or xenon (Xe). .

次に、ビア孔103の底部のTa膜105の除去後、シードCu膜107aを、スパッタ法を用いて成膜する(以上、図12(A))。
そして、シードCu膜107a上に、Cu層107をメッキ法を用いて、ビア孔103およびトレンチ溝104を埋め込む(以上、図12(B))。
Next, after the removal of the Ta film 105 at the bottom of the via hole 103, a seed Cu film 107a is formed by sputtering (refer to FIG. 12A).
Then, the via hole 103 and the trench groove 104 are embedded on the seed Cu film 107a by plating the Cu layer 107 (refer to FIG. 12B).

最後に、ハードマスク膜102b上のCu層107およびTa膜105を、CMP法を用いて除去し、多層配線構造を備える半導体装置が形成される(以上、図12(C))。
なお、参考までに、このようにして形成された多層配線構造を備える半導体装置を評価した結果を以下に説明する。
Finally, the Cu layer 107 and the Ta film 105 on the hard mask film 102b are removed by using a CMP method to form a semiconductor device having a multilayer wiring structure (see FIG. 12C).
For reference, the results of evaluating a semiconductor device having a multilayer wiring structure formed in this way will be described below.

まず、上記方法によって形成された多層配線構造を備える半導体装置に対して、STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy:走査透過型電子顕微鏡)にて観察を行った結果について説明する。   First, the result of observing a semiconductor device having a multilayer wiring structure formed by the above method with a STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy) will be described.

図13は、Cu多層配線構造を有する半導体装置の断面のSTEMの観察写真である。なお、図11,12の断面模式図のトレンチ溝104の形状はT字状であるのに対し、図13では、L字を逆さまにしたような形状となっている。そして、ビア孔103の直径は100nm、トレンチ溝104の幅(紙面垂直方向)は100nmである。   FIG. 13 is a STEM observation photograph of a cross section of a semiconductor device having a Cu multilayer wiring structure. In addition, the shape of the trench groove 104 in the schematic cross-sectional views of FIGS. 11 and 12 is a T-shape, whereas in FIG. 13, the L-shape is inverted. The diameter of the via hole 103 is 100 nm, and the width of the trench groove 104 (in the direction perpendicular to the paper surface) is 100 nm.

上記の方法によって、図13から、配線層101上に、Cu層107が形成されており、Cu層107の周りにTa膜105が成膜されていることを確認することができる。
主にTaイオン106を用いて、ビア孔103およびトレンチ溝104の底部のTa膜105をエッチングしたため、結果的にはビア孔103の底部にTa膜105が多少残り、ビア孔103の底部のTa膜105の膜厚がトレンチ溝104のそれよりも極端に薄くなっており、また、ビア孔103の底部下の配線層101もエッチングされて、窪みが生じている。そして、ビア孔103の底部に堆積したTa膜105がエッチングされると、エッチングされたTa膜105の飛散がビア孔103の側壁に付着する。
By the above method, it can be confirmed from FIG. 13 that the Cu layer 107 is formed on the wiring layer 101 and the Ta film 105 is formed around the Cu layer 107.
Since the Ta film 105 at the bottom of the via hole 103 and the trench groove 104 is etched mainly using Ta ions 106, the Ta film 105 remains at the bottom of the via hole 103 as a result. The thickness of the film 105 is extremely thinner than that of the trench groove 104, and the wiring layer 101 below the bottom of the via hole 103 is also etched to form a recess. Then, when the Ta film 105 deposited on the bottom of the via hole 103 is etched, scattering of the etched Ta film 105 adheres to the sidewall of the via hole 103.

次に、上記方法によって形成された多層配線構造を備える半導体装置に対して、XRD(X-Ray Diffraction:X線回折)を行った結果について説明する。
図14は、従来の多層配線構造を有する半導体装置を構成するタンタル層に対するXRDを行った結果を示すグラフである。
Next, the results of XRD (X-Ray Diffraction) performed on a semiconductor device having a multilayer wiring structure formed by the above method will be described.
FIG. 14 is a graph showing the results of XRD performed on a tantalum layer constituting a semiconductor device having a conventional multilayer wiring structure.

図14から示されるように、層間絶縁膜102上のTa膜105は結晶性を示すとともに、Ta膜105はα相であることがわかる。
次に、従来例2として、層間絶縁膜に形成したビア孔およびトレンチ溝の開口部にチタン(Ti)層およびTa層を積層させ、その上にCuを埋め込んだ配線の形成工程の場合について説明する。
As can be seen from FIG. 14, the Ta film 105 on the interlayer insulating film 102 exhibits crystallinity, and the Ta film 105 is in the α phase.
Next, as a conventional example 2, a case of forming a wiring in which a titanium (Ti) layer and a Ta layer are stacked in via holes and trench groove openings formed in an interlayer insulating film and Cu is embedded thereon will be described. To do.

図15は、従来の多層配線構造を有する半導体装置の別の製造方法の断面模式図である。なお、図15において、図11,12と同じ構成要素には同様の符号番号としている。
まず、絶縁層101aにハードマスク膜101bを用いて開口したトレンチ溝全体に成膜されたTi膜101eおよびTa膜101c全面に、さらにCu層101dを埋め込むことで配線層101を形成する。ここで、Ti膜101eを形成するのは、Ta膜101cと層間絶縁膜102との密着性の向上が期待されるからである。
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of another method for manufacturing a semiconductor device having a conventional multilayer wiring structure. In FIG. 15, the same components as those in FIGS.
First, the wiring layer 101 is formed by further embedding a Cu layer 101d over the entire surface of the Ti film 101e and the Ta film 101c formed in the entire trench groove opened using the hard mask film 101b in the insulating layer 101a. Here, the Ti film 101e is formed because an improvement in adhesion between the Ta film 101c and the interlayer insulating film 102 is expected.

配線層101上に、さらに、Cuバリア絶縁膜102aを介して、層間絶縁膜102を成膜する。
この層間絶縁膜102に、ハードマスク膜102bを用いて、ビア孔103およびトレンチ溝104からなる開口部を形成する。
An interlayer insulating film 102 is further formed on the wiring layer 101 via a Cu barrier insulating film 102a.
An opening made of the via hole 103 and the trench groove 104 is formed in the interlayer insulating film 102 using the hard mask film 102b.

そして、ビア孔103、トレンチ溝104およびハードマスク膜102bの全面にTi膜108を成膜する。なお、Ti膜108の成膜には、ロングスロースパッタ法を用いて、ターゲット電源を1kWから18kW、基板バイアスが0Wから500W、Vdが2.0nm/secおよびVeが0.3nm/secの条件で、Ti膜108の膜厚が13nmとなるように成膜した。   Then, a Ti film 108 is formed on the entire surface of the via hole 103, the trench groove 104, and the hard mask film 102b. The Ti film 108 is formed using a long throw sputtering method under conditions where the target power source is 1 kW to 18 kW, the substrate bias is 0 W to 500 W, Vd is 2.0 nm / sec, and Ve is 0.3 nm / sec. Thus, the Ti film 108 was formed to a thickness of 13 nm.

さらに、Ti膜108の全面にTa膜105を成膜する。なお、Ta膜105の成膜には、ロングスロースパッタ法を用いて、ターゲット電源を1kWから18kW、基板バイアスが0Wから500W、Vdが1.4nm/secおよびVeが0.8nm/secの条件で、Ta膜105の膜厚が10nmとなるように成膜した。ちなみに、Vd/Ve>1であるために、ビア孔103およびトレンチ溝104の底部はほとんどエッチングされずに成膜されることになる(以上、図15(A))。   Further, a Ta film 105 is formed on the entire surface of the Ti film 108. The Ta film 105 is formed by using a long throw sputtering method under conditions where the target power source is 1 kW to 18 kW, the substrate bias is 0 W to 500 W, Vd is 1.4 nm / sec, and Ve is 0.8 nm / sec. Thus, the Ta film 105 was formed to have a thickness of 10 nm. Incidentally, since Vd / Ve> 1, the bottoms of the via holes 103 and the trench grooves 104 are hardly etched (depicted in FIG. 15A).

次に、成膜されたTa膜105上に、シードCu膜107aを、スパッタ法を用いて成膜する。
そして、シードCu膜107a全面を覆うように、Cu層107をメッキ堆積させて、ビア孔103およびトレンチ溝104を埋め込む(以上、図15(B))。
Next, a seed Cu film 107a is formed on the formed Ta film 105 by sputtering.
Then, the Cu layer 107 is plated and deposited so as to cover the entire surface of the seed Cu film 107a, thereby filling the via hole 103 and the trench groove 104 (FIG. 15B).

最後に、ハードマスク膜102b上のCu層107、Ti膜108およびTa膜105を、CMP法を用いて除去し、多層膜構造を備える半導体装置が形成される。
このようにして形成された多層配線構造を備える半導体装置を評価した結果を以下に参考までに説明する。
Finally, the Cu layer 107, the Ti film 108, and the Ta film 105 on the hard mask film 102b are removed using a CMP method, and a semiconductor device having a multilayer film structure is formed.
The results of evaluating a semiconductor device having a multilayer wiring structure formed in this way will be described below for reference.

次に、上記方法によって形成された多層配線構造を有する半導体装置に対して、XRDを行った場合について説明する。
図16は、従来の多層配線構造を有する別の半導体装置を構成するタンタル層およびチタン層に対するXRDを行った結果を示すグラフである。
Next, a case where XRD is performed on a semiconductor device having a multilayer wiring structure formed by the above method will be described.
FIG. 16 is a graph showing the results of XRD performed on a tantalum layer and a titanium layer constituting another semiconductor device having a conventional multilayer wiring structure.

Ti膜108上にTa膜105を成膜した場合、図16に示されるように、Ta膜105の結晶性がα相になる(例えば、非特許文献2参照。)。
以上のような製造方法によって、多層配線構造を備える半導体装置が得られる。
When the Ta film 105 is formed on the Ti film 108, the crystallinity of the Ta film 105 becomes an α phase as shown in FIG. 16 (see, for example, Non-Patent Document 2).
A semiconductor device having a multilayer wiring structure can be obtained by the manufacturing method as described above.

H.サカイ(H. Sakai)、N.オオツカ(N. Ohtsuka)、T.タビラ(T. Tabira)、T.コウノ(T. Kouno)、M.ナカイシ(M. Nakaishi)、M.ミヤジマ(M. Miyajima)、“Nobel PVD process of barrier metal for Cu interconnects extendable to 45nm node and beyond"、アドバンスドメタライゼーションコンファレンス(Advanced Metallization Conference (AMC))、サンディエゴ(San Diego)、2006年10月17−19日、p.33−p.34H. H. Sakai, N.I. N. Ohtsuka, T. T. Tabira, T. T. Kouno, M.C. M. Nakaishi, M.N. Miyajima, “Nobel PVD process of barrier metal for Cu interconnects extendable to 45 nm node and beyond”, Advanced Metallization Conference (AMC), San Diego, October 17, 2006 19th, p. 33-p. 34 G.S.チェン(G. S. Chen)、P.Y.リー(P. Y. Lee)、S.T.チェン(S. T. Chen)、“Phase formation behavior and diffusion barrier property of reactively sputtered tantalum-based thin films used in semiconductor metallization”、シンソリッドフィルムズ(Thin Solid Films)、1999年、353、p.264−p.273G. S. G. S. Chen, P.A. Y. Lee, P. Y. Lee T.A. S. T. Chen, “Phase formation behavior and diffusion barrier property of reactively sputtered tantalum-based thin films used in semiconductor metallization”, Thin Solid Films, 1999, 353, p. 264-p. 273

しかし、上記従来例1,2の半導体装置の製造方法では、ビア孔へのシードCu層の埋め込み性が悪いという問題点があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、配線信頼性が向上された半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。
However, the above-described conventional semiconductor device manufacturing methods 1 and 2 have a problem that the seed Cu layer is poorly embedded in the via hole.
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device with improved wiring reliability.

本発明では上記課題を解決するために、半導体基板上に第1の配線層を形成する工程と、前記第1の配線層上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜にトレンチ溝および前記トレンチ溝中にあって前記第1の配線層に達するビア孔を形成する工程と、前記トレンチ溝内、前記ビア孔内および前記層間絶縁膜上に第1の金属からなる第1の金属膜を成膜する第1の成膜工程と、スパッタ法を用いて、前記ビア孔の底部の前記第1の金属膜をエッチングするとともに、前記トレンチ溝の底部および側壁と前記ビア孔の側壁とに第2の金属からなる第2の金属膜を成膜する第2の成膜工程と、前記ビア孔と前記トレンチ溝とを銅で埋め込んで第2の配線層を形成する工程と、を有し、前記第1の金属は、チタン、ジルコニウムおよびマンガンのうちのいずれか、もしくはこれらの合金であり、前記第2の金属は、タンタル、タングステンのいずれか、もしくはこれらの合金であ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。   In the present invention, in order to solve the above problems, a step of forming a first wiring layer on a semiconductor substrate, a step of forming an interlayer insulating film on the first wiring layer, and a trench groove in the interlayer insulating film And a step of forming a via hole in the trench groove reaching the first wiring layer, and a first metal made of a first metal in the trench groove, in the via hole and on the interlayer insulating film Etching the first metal film at the bottom of the via hole using a first deposition step for forming a film and a sputtering method, and forming the bottom and sidewall of the trench groove and the sidewall of the via hole A second film forming step of forming a second metal film made of a second metal, and a step of filling the via hole and the trench groove with copper to form a second wiring layer. And the first metal is titanium, zirconium and manga. Is any, or an alloy thereof of said second metal is tantalum, or tungsten, or a method of manufacturing a semiconductor device which is characterized in that an alloy thereof is provided.

また、本発明では上記課題を解決するために、半導体基板上に形成された第1の配線層と、前記第1の配線層上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜に形成されたトレンチ溝と、前記トレンチ溝中に形成された前記第1の配線層に達するビア孔と、前記トレンチ溝の底部および側壁と前記ビア孔の側壁とに成膜された第1の金属からなる第1の金属膜と、前記トレンチ溝の底部および側壁と前記ビア孔の側壁とに成膜された第2の金属からなる第2の金属膜と、前記ビア孔の側壁に成膜された、前記第1の金属と前記第2の金属とを有する第3の金属膜と、前記ビア孔と前記トレンチ溝とに埋め込まれた銅からなる第2の配線層と、を有し、前記第1の金属は、チタン、ジルコニウムおよびマンガンのうちのいずれか、もしくはこれらの合金であり、前記第2の金属は、タンタル、タングステンのいずれか、もしくはこれらの合金であることを特徴とする半導体装置が提供される。   In the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, a first wiring layer formed on a semiconductor substrate, an interlayer insulating film formed on the first wiring layer, and the interlayer insulating film are formed. The trench groove, the via hole reaching the first wiring layer formed in the trench groove, and the first metal formed on the bottom and side walls of the trench groove and the side walls of the via hole. A first metal film, a second metal film made of a second metal formed on the bottom and side walls of the trench groove and the side wall of the via hole, and formed on the side wall of the via hole; A third metal film having the first metal and the second metal; and a second wiring layer made of copper embedded in the via hole and the trench groove. The metal is one of titanium, zirconium and manganese, or these An alloy, said second metal is tantalum, or tungsten, or a semiconductor device which is characterized in that an alloy thereof is provided.

このような半導体装置の製造方法および半導体装置では、第1の金属膜の元素の、埋め込まれた第2の配線層の銅中への拡散が防止され、抵抗増加を抑制することができ、また、第1の金属膜の元素と銅の元素とが反応して、銅のつきまわりが向上するために配線信頼性を向上させることができる。   In such a semiconductor device manufacturing method and semiconductor device, diffusion of the element of the first metal film into the copper of the embedded second wiring layer can be prevented, and an increase in resistance can be suppressed. Since the elements of the first metal film and the copper element react with each other to improve the copper coverage, the wiring reliability can be improved.

本発明の半導体装置の製造方法の概要についての断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram about the outline | summary of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法の断面模式図(その1)である。It is a cross-sectional schematic diagram (the 1) of the manufacturing method of the semiconductor device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法の断面模式図(その2)である。It is a cross-sectional schematic diagram (the 2) of the manufacturing method of the semiconductor device in embodiment of this invention. 本実施の形態における半導体装置の抵抗値を示したグラフである。It is the graph which showed the resistance value of the semiconductor device in this Embodiment. 実施の形態における多層配線構造を有する半導体装置の断面のSTEMの観察写真である。It is a STEM observation photograph of the section of the semiconductor device which has the multilayer wiring structure in an embodiment. 銅およびチタン、銅およびタンタルの相図である。It is a phase diagram of copper and titanium, copper and tantalum. ビア孔のアスペクト比に対するシードCuの膜厚のグラフである。It is a graph of the film thickness of seed Cu with respect to the aspect ratio of a via hole. 本実施の形態におけるEDX分析が行われるビア孔の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the via hole in which the EDX analysis in this Embodiment is performed. FIB加工が行われたビア孔の断面のSTEMによる観察写真である。It is the observation photograph by STEM of the cross section of the via hole in which FIB processing was performed. 本実施の形態におけるトレンチ溝のEDX分析結果である。It is an EDX analysis result of the trench groove | channel in this Embodiment. 従来の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法の断面模式図(その1)である。It is a cross-sectional schematic diagram of the manufacturing method of the semiconductor device which has the conventional multilayer wiring structure (the 1). 従来の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法の断面模式図(その2)である。It is a cross-sectional schematic diagram (the 2) of the manufacturing method of the semiconductor device which has the conventional multilayer wiring structure. Cu多層配線構造を有する半導体装置の断面のSTEMの観察写真である。It is a STEM observation photograph of the section of the semiconductor device which has Cu multilayer wiring structure. 従来の多層配線構造を有する半導体装置を構成するタンタル層に対するXRDを行った結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having performed XRD with respect to the tantalum layer which comprises the semiconductor device which has the conventional multilayer wiring structure. 従来の多層配線構造を有する半導体装置の別の製造方法の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of another manufacturing method of a semiconductor device having a conventional multilayer wiring structure. 従来の多層配線構造を有する別の半導体装置を構成するタンタル層およびチタン層に対するXRDを行った結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having performed XRD with respect to the tantalum layer and titanium layer which comprise another semiconductor device which has the conventional multilayer wiring structure.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されない。
まず、本発明の概要について説明し、その後に本発明の実施の形態について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments.
First, an outline of the present invention will be described, and then an embodiment of the present invention will be described.

図1は、本発明の半導体装置の製造方法の概要についての断面模式図である。
本発明の半導体装置10の製造方法では、まず、半導体基板上に形成した絶縁層に導電性材料を埋め込んで配線層11を形成する。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an outline of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
In the method for manufacturing the semiconductor device 10 of the present invention, first, the wiring layer 11 is formed by embedding a conductive material in the insulating layer formed on the semiconductor substrate.

配線層11上に、層間絶縁膜12を成膜し、トレンチ溝13と、トレンチ溝13中に、配線層11に達するビア孔14を形成する。
そして、トレンチ溝13、ビア孔14および層間絶縁膜12の表面に金属膜15として例えばTi膜を成膜する(以上、図1(A))。
An interlayer insulating film 12 is formed on the wiring layer 11, and a trench groove 13 and a via hole 14 reaching the wiring layer 11 are formed in the trench groove 13.
Then, for example, a Ti film is formed as a metal film 15 on the surfaces of the trench groove 13, the via hole 14, and the interlayer insulating film 12 (the above, FIG. 1A).

次に、スパッタ法を用いて、ビア孔14の底部の金属膜15をエッチングしながら、金属膜15の表面上に、金属膜16としてバリア層である例えばTa膜を成膜する。この工程において、ビア孔14の底部の金属膜15をエッチングしながら金属膜16を成膜するために、ビア孔14の底部には、金属膜16はほとんど成膜されず、金属膜15は除去され、配線層11もエッチングされる(以上、図1(B))。但し、金属膜15を完全に排除せずに部分的に除去してもよい。   Next, while etching the metal film 15 at the bottom of the via hole 14 using a sputtering method, a Ta film, for example, which is a barrier layer is formed as a metal film 16 on the surface of the metal film 15. In this step, since the metal film 16 is formed while etching the metal film 15 at the bottom of the via hole 14, the metal film 16 is hardly formed at the bottom of the via hole 14, and the metal film 15 is removed. Then, the wiring layer 11 is also etched (above, FIG. 1B). However, the metal film 15 may be partially removed without being completely eliminated.

最後に、ビア孔14およびトレンチ溝13を導電性材料17aで埋め込み金属配線とする。そして、導電性材料17aの上部と金属膜16と金属膜15とをCMPで除去することで、多層配線構造を備える半導体装置10を得ることができる(以上、図1(C))。   Finally, the via hole 14 and the trench groove 13 are filled with a conductive material 17a to form a metal wiring. Then, by removing the upper portion of the conductive material 17a, the metal film 16, and the metal film 15 by CMP, the semiconductor device 10 having a multilayer wiring structure can be obtained (FIG. 1C).

なお、上記製造方法では、金属膜15の成膜後、ビア孔14の底部の金属膜15をエッチングしながら、金属膜16を成膜したが、金属膜15上に、金属膜16を成膜した後に、ビア孔14の底部の金属膜15および金属膜16をエッチングするようにしてもよい。   In the above manufacturing method, after the metal film 15 is formed, the metal film 16 is formed while etching the metal film 15 at the bottom of the via hole 14. However, the metal film 16 is formed on the metal film 15. After that, the metal film 15 and the metal film 16 at the bottom of the via hole 14 may be etched.

以上のような半導体装置10の製造方法では、ビア孔14の底部の金属膜15をエッチングしながら、金属膜15上に、金属膜16を成膜することによって、ビア孔14の側壁の金属膜16上にエッチングで飛散した金属膜15と金属膜16との元素によって金属合金膜が形成される。また、金属膜15上に、金属膜16を成膜した後で、ビア孔14の底部の金属膜15および金属膜16をエッチングした場合でも同様に、金属合金膜が形成される。   In the manufacturing method of the semiconductor device 10 as described above, the metal film 16 is formed on the metal film 15 while etching the metal film 15 at the bottom of the via hole 14, thereby forming the metal film on the sidewall of the via hole 14. A metal alloy film is formed on the element 16 by the elements of the metal film 15 and the metal film 16 scattered by etching. Further, even when the metal film 16 is formed on the metal film 15 and then the metal film 15 and the metal film 16 at the bottom of the via hole 14 are etched, a metal alloy film is similarly formed.

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照してより詳細に説明する。
本発明の実施の形態では、2種目の金属膜の形成後に、エッチングを行う場合を例にあげる。
Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
In the embodiment of the present invention, a case where etching is performed after the formation of the second metal film is taken as an example.

図2,3は、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法の断面模式図である。
まず、絶縁層21aをエッチングして、絶縁層21aにトレンチ溝を形成する。
次いで、全面にTi膜21bおよびTa膜21cを順に成膜し、さらに、Ti膜21bおよびTa膜21cを覆うように、Cu層21dを積層させる。
2 and 3 are schematic cross-sectional views of a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
First, the insulating layer 21a is etched to form a trench groove in the insulating layer 21a.
Next, a Ti film 21b and a Ta film 21c are sequentially formed on the entire surface, and a Cu layer 21d is laminated so as to cover the Ti film 21b and the Ta film 21c.

そして、CMP法によって、配線層21が形成される。
配線層21上に、Cuバリア絶縁膜22c、層間絶縁膜22a、層間絶縁膜22bおよびハードマスク膜22dを順に成膜する。
Then, the wiring layer 21 is formed by the CMP method.
On the wiring layer 21, a Cu barrier insulating film 22c, an interlayer insulating film 22a, an interlayer insulating film 22b, and a hard mask film 22d are sequentially formed.

次いで、層間絶縁膜22aおよび層間絶縁膜22bを開口して、トレンチ溝23およびビア孔24を形成する。層間絶縁膜22aおよび層間絶縁膜22bは異なる層であっても、同一の材料からなる単一層であってもよい。   Next, the interlayer insulating film 22a and the interlayer insulating film 22b are opened, and a trench groove 23 and a via hole 24 are formed. The interlayer insulating film 22a and the interlayer insulating film 22b may be different layers or a single layer made of the same material.

トレンチ溝23、ビア孔24およびハードマスク膜22dの全面にTi膜25を成膜する。なお、Ti膜25の成膜には、例えば、ロングスロースパッタ法を用いて、ターゲット電源を1kWから18kW、基板バイアスが0Wから500W、Vdが2.0nm/secおよびVeが0.3nm/secの条件で、Ti膜25の膜厚が13nmとなるように成膜した(図2(A))。   A Ti film 25 is formed on the entire surface of the trench groove 23, the via hole 24, and the hard mask film 22d. For forming the Ti film 25, for example, using a long throw sputtering method, the target power source is 1 kW to 18 kW, the substrate bias is 0 W to 500 W, Vd is 2.0 nm / sec, and Ve is 0.3 nm / sec. Under the conditions, the Ti film 25 was formed to a thickness of 13 nm (FIG. 2A).

さらに、Ti膜25の全面にTa膜26を成膜する。なお、Ta膜26の成膜には、例えば、ロングスロースパッタ法を用いて、ターゲット電源を1kWから18kW、基板バイアスが0W、平坦部分、すなわち、トレンチ溝23が形成されていない領域におけるVdが1.0nm/secおよびVeが0nm/secの条件で、Ta膜26の膜厚が10nmとなるように成膜した(図2(B))。   Further, a Ta film 26 is formed on the entire surface of the Ti film 25. The Ta film 26 is formed by using, for example, a long throw sputtering method, a target power source of 1 kW to 18 kW, a substrate bias of 0 W, a flat portion, that is, a Vd in a region where the trench groove 23 is not formed. Under the conditions of 1.0 nm / sec and Ve of 0 nm / sec, the Ta film 26 was formed to a thickness of 10 nm (FIG. 2B).

次に、Taターゲットを用いたスパッタ法により、ビア孔24の底部に成膜されたTi膜25およびTa膜26を、Taイオン26aやArイオン(不図示)などでエッチングする。例えば、ターゲット電源を1kWから5kW、基板バイアスが200Wから400W、平坦部分、すなわち、トレンチ溝23が形成されていない領域におけるVdが0.7nm/secおよびVeが0.9nm/sec、すなわち、Vd/Ve≦1の条件でスパッタを行った。   Next, the Ti film 25 and the Ta film 26 formed on the bottom of the via hole 24 are etched with Ta ions 26a, Ar ions (not shown) or the like by sputtering using a Ta target. For example, the target power supply is 1 kW to 5 kW, the substrate bias is 200 W to 400 W, Vd is 0.7 nm / sec and Ve is 0.9 nm / sec, that is, Vd in the flat portion, that is, the region where the trench groove 23 is not formed. Sputtering was performed under the conditions of / Ve ≦ 1.

このような条件においては、ビア孔24の底部において集中的にスパッタエッチングがなされ、ビア孔24の底部に形成されたTi膜25およびTa膜26が除去される。すなわち、平坦部でのVd/Ve比よりも、ビア孔24の底部でのVd/Ve比が小さくなる条件を選べばよい。この場合はビア孔24のアスペクト比や他の条件によっても変化するものであり、その意味において、上記したスパッタ条件は一例である。そして、ビア孔24の底部から飛散したTa膜26およびTi膜25と、ターゲットから飛散したTaイオン26aとが、ビア孔24の側壁にチタンタンタル(TiTa)膜27として堆積する(図3(A))。   Under such conditions, sputter etching is concentrated on the bottom of the via hole 24, and the Ti film 25 and the Ta film 26 formed on the bottom of the via hole 24 are removed. That is, a condition that the Vd / Ve ratio at the bottom of the via hole 24 is smaller than the Vd / Ve ratio at the flat part may be selected. In this case, it varies depending on the aspect ratio of the via hole 24 and other conditions. In that sense, the above-described sputtering conditions are merely examples. Then, the Ta film 26 and the Ti film 25 scattered from the bottom of the via hole 24 and the Ta ions 26a scattered from the target are deposited as a titanium tantalum (TiTa) film 27 on the sidewall of the via hole 24 (FIG. 3A). )).

図3(A)に示すように、Cuのバリア層であるTa膜26が、トレンチ溝23の側壁と底面、ビア孔24の側壁に形成される。更に、ビア孔24の側壁のTa膜26上には、TiTa膜27が形成される。トレンチ溝23の底部および側壁にはTa膜26が形成されるのでTi膜25は、後に形成されるCu層29に直接接触しない。このため、Ti元素が、金属配線のCu層29中へ拡散することを防ぐことができ、Ti元素に起因した抵抗上昇を防ぐことができる。   As shown in FIG. 3A, a Ta film 26 which is a Cu barrier layer is formed on the sidewall and bottom surface of the trench groove 23 and the sidewall of the via hole 24. Further, a TiTa film 27 is formed on the Ta film 26 on the side wall of the via hole 24. Since the Ta film 26 is formed on the bottom and side walls of the trench 23, the Ti film 25 does not directly contact the Cu layer 29 to be formed later. For this reason, Ti element can be prevented from diffusing into the Cu layer 29 of the metal wiring, and an increase in resistance due to the Ti element can be prevented.

なお、ビア孔24の底部のエッチングによって、ビア孔24の底部に成膜したTi膜25は完全に除去されずに多少残ることもある。この場合、ビア孔24の底部の膜厚は、トレンチ溝23の底部の膜厚よりも薄くなる。一方、エッチングで使用するイオンは、ここではArイオンの場合を例としてあげたが、Taと反応しない、例えば、He、Xeなどでも同様にエッチングを行うことが可能である。   It should be noted that the Ti film 25 formed on the bottom of the via hole 24 may remain slightly after being etched due to the etching of the bottom of the via hole 24. In this case, the film thickness at the bottom of the via hole 24 is thinner than the film thickness at the bottom of the trench groove 23. On the other hand, the ions used in the etching are Ar ions as an example here, but it is also possible to perform etching in the same manner even when Ta or the like does not react with Ta, for example.

次に、トレンチ溝23およびビア孔24の開口部全面に、後に形成する金属配線のCu層29を形成する時に電極の役割をするシードCu膜28を、スパッタ法を用いて成膜する。この時、ビア孔24の側壁にはTaTi膜27が形成されており、シードCu膜28のCu元素とTaTi膜27のTi元素とが反応するために、シードCu膜28とビア孔24の側壁との付き回りが良くなる(図3(B))。   Next, a seed Cu film 28 serving as an electrode when forming a Cu layer 29 of a metal wiring to be formed later is formed over the entire opening of the trench groove 23 and the via hole 24 by sputtering. At this time, the TaTi film 27 is formed on the side wall of the via hole 24, and the Cu element of the seed Cu film 28 reacts with the Ti element of the TaTi film 27, so the side wall of the seed Cu film 28 and the via hole 24. Is improved (FIG. 3B).

最後に、Cu層29をメッキ堆積させて、ビア孔24およびトレンチ溝23を埋め込み、ハードマスク膜22d上のCu層29、Ta膜26およびTi膜25を、CMP法を用いて除去し、多層配線構造を有する半導体装置20が形成される(図3(C))。   Finally, the Cu layer 29 is deposited by plating to fill the via hole 24 and the trench groove 23, and the Cu layer 29, the Ta film 26, and the Ti film 25 on the hard mask film 22d are removed by using the CMP method. A semiconductor device 20 having a wiring structure is formed (FIG. 3C).

この工程を用いた場合、ビア孔24の側壁のTa膜26上にTiTa膜27を形成することができ、シードCu膜28のビア孔24内への形成が容易になる。また、TiTa膜27をビア孔24の内壁に集中的に形成することができるため、トレンチ溝23内部に形成された金属配線のCu層29にTiが拡散してCu層29の抵抗が上昇することを抑えるという効果も得られる。   When this step is used, the TiTa film 27 can be formed on the Ta film 26 on the side wall of the via hole 24, and the formation of the seed Cu film 28 in the via hole 24 is facilitated. Further, since the TiTa film 27 can be intensively formed on the inner wall of the via hole 24, Ti diffuses into the Cu layer 29 of the metal wiring formed inside the trench groove 23 and the resistance of the Cu layer 29 increases. The effect of suppressing this is also obtained.

本実施の形態では、Ti膜25状にTa膜26を、例えば、10nm成膜した後に、Taターゲットを用いてVd/Ve≦1となる条件でビア孔24の底部のエッチングを行ったが、Ti膜25上にTa膜26を堆積させずに、Taターゲットを用いてVd/Ve≦1となる条件でビア孔24の底部のエッチングを行うという別の実施の形態も考えられる。この場合も、ビア孔24の側壁にTiTa膜27を堆積させることができる。また、いずれの実施の形態においても、ビア孔24の底部のエッチング後に、さらにTa膜を3nmから7nm、例えば、5nmスパッタで堆積させてもよい。この追加のTa膜の成膜は、トレンチ溝23の側壁および底部に形成されるTa膜26の膜厚の20%程度である(例えば、トレンチ溝23の底部に5nmを堆積させた場合には、ビア孔24の側壁は追加のTa膜が1nm程度堆積する。)。このように、ビア孔24の側壁に堆積するTa膜は非常に薄いため、TiTa膜27によるCuの付き回り特性向上という効果が阻害されることはない。なお、この追加のTa膜の成膜プロセスは、図1から図3で説明した実施の形態に適用してもよい。この場合は、Ti膜25およびTa膜26の成膜工程、ビア孔24の底部のスパッタエッチング工程、追加のTa膜の成膜工程、Cu層29の形成工程とで構成されることになる。   In the present embodiment, the Ta film 26 is formed in the shape of the Ti film 25, for example, 10 nm, and then the bottom of the via hole 24 is etched using a Ta target under the condition of Vd / Ve ≦ 1, Another embodiment is also conceivable in which the Ta film 26 is not deposited on the Ti film 25 and the bottom of the via hole 24 is etched using a Ta target under the condition of Vd / Ve ≦ 1. Also in this case, the TiTa film 27 can be deposited on the side wall of the via hole 24. In any embodiment, after etching the bottom of the via hole 24, a Ta film may be further deposited by sputtering from 3 nm to 7 nm, for example, 5 nm. This additional Ta film is formed to be about 20% of the thickness of the Ta film 26 formed on the sidewall and bottom of the trench groove 23 (for example, when 5 nm is deposited on the bottom of the trench groove 23). The additional Ta film is deposited on the side wall of the via hole 24 by about 1 nm.) Thus, since the Ta film deposited on the side wall of the via hole 24 is very thin, the effect of improving the Cu contact characteristics by the TiTa film 27 is not hindered. Note that this additional Ta film formation process may be applied to the embodiment described with reference to FIGS. In this case, the Ti film 25 and the Ta film 26 are formed, the bottom of the via hole 24 is sputter-etched, the additional Ta film is formed, and the Cu layer 29 is formed.

次に、図3に示された半導体装置20の抵抗値について以下に説明する。
図4は、本実施の形態における半導体装置の抵抗値を示したグラフである。
図4は、従来例1、従来例2および本実施の形態における半導体装置について、x軸はチェーン抵抗の値[Ω]を示し、y軸は抵抗値に対する累積確率[%]を示している。そして、図4(A)は、ウェハが完成した直後、すなわち、ウェハプロセスアウト直後、図4(B)は、ウェハプロセスアウト後、100℃から250℃の高温環境にて400時間から600時間放置した後、それぞれの場合について示している。
Next, the resistance value of the semiconductor device 20 shown in FIG. 3 will be described below.
FIG. 4 is a graph showing the resistance value of the semiconductor device in the present embodiment.
4, in the conventional example 1, the conventional example 2, and the semiconductor device according to the present embodiment, the x-axis indicates the chain resistance value [Ω], and the y-axis indicates the cumulative probability [%] with respect to the resistance value. 4A shows the state immediately after the wafer is completed, that is, immediately after the wafer process out, and FIG. 4B shows the case where the wafer is left in the high temperature environment of 100 to 250 ° C. for 400 to 600 hours after the wafer process out. After that, each case is shown.

図4(A)のウェハプロセスアウト後では、従来例2の半導体装置のチェーン抵抗は、従来例1と本実施の形態と比較して、高い。一方、従来例1と本実施の形態との半導体装置では、ともに安定したチェーン抵抗であることがわかる。   After the wafer process out of FIG. 4A, the chain resistance of the semiconductor device of Conventional Example 2 is higher than that of Conventional Example 1 and this embodiment. On the other hand, it can be seen that the semiconductor devices of Conventional Example 1 and the present embodiment both have stable chain resistance.

その後、高温環境にて400時間から600時間放置すると、図4(B)に示すように、従来例2のチェーン抵抗はより高くなり、従来例1についても、チェーン抵抗が高まることがわかる。一方、本実施の形態の半導体装置のチェーン抵抗は、依然、安定して、ウェハプロセスアウト直後からほとんど変化がないことがわかった。   Thereafter, when left in a high temperature environment for 400 hours to 600 hours, as shown in FIG. 4B, the chain resistance of Conventional Example 2 becomes higher, and it can be understood that the chain resistance of Conventional Example 1 also increases. On the other hand, it was found that the chain resistance of the semiconductor device of the present embodiment is still stable and hardly changed immediately after the wafer process out.

すなわち、本実施の形態の製造方法によって、トレンチ溝23の底部のTa膜26によってTi膜25がシードCu膜28やCu層29へ直接露出されず、Ti元素のシードCu膜28やCu層29中への拡散が防がれて、Ti元素による抵抗の増加を抑制することが可能になった。さらに、本実施の形態の製造方法によって、ビア孔24の側壁部に生成されたTiTa膜27のTi元素と、シードCu膜28aのCu元素とが反応してCuTi膜28aが生成され、シードCu膜28aとTiTa膜27との付き回りが向上し、配線信頼性が向上した。   That is, according to the manufacturing method of the present embodiment, the Ti film 25 is not directly exposed to the seed Cu film 28 or the Cu layer 29 by the Ta film 26 at the bottom of the trench groove 23, but the Ti element seed Cu film 28 or the Cu layer 29. The diffusion into the inside is prevented, and the increase in resistance due to the Ti element can be suppressed. Furthermore, by the manufacturing method of the present embodiment, the Ti element of the TiTa film 27 generated on the side wall portion of the via hole 24 and the Cu element of the seed Cu film 28a react to generate the CuTi film 28a, and the seed Cu The contact between the film 28a and the TiTa film 27 is improved, and the wiring reliability is improved.

以下に、このような結果を示す理由について、半導体装置20の評価結果に合わせて説明する。
まず、上記実施の形態による製造方法によって形成された半導体装置20に対して、STEMにて観察を行った結果について説明する。なお、以下、これまでに用いた構成要素の場合は、同じ符号を用いて説明する。
The reason why such a result is shown will be described below in accordance with the evaluation result of the semiconductor device 20.
First, the result of observing the semiconductor device 20 formed by the manufacturing method according to the above embodiment with the STEM will be described. In the following description, the components used so far will be described using the same reference numerals.

図5は、実施の形態における多層配線構造を有する半導体装置の断面のSTEMの観察写真である。なお、図2,3の断面模式図のトレンチ溝23とビア孔24とを合わせた断面形状はT字状であるのに対し、図5では、L字を逆さまにしたような形状となっている。そして、ビア孔24の直径は100nm、トレンチ溝23の幅(紙面垂直方向)は100nmである。さらに、成膜したTi膜25の膜厚が、図5(A)は13nm、図5(B)は10nmの場合をそれぞれ示している。   FIG. 5 is an STEM observation photograph of a cross section of a semiconductor device having a multilayer wiring structure in the embodiment. 2 and 3, the cross-sectional shape of the trench groove 23 and the via hole 24 in the schematic cross-sectional view is a T-shape, whereas in FIG. 5, the L-shape is inverted. Yes. The diameter of the via hole 24 is 100 nm, and the width of the trench groove 23 (in the direction perpendicular to the paper surface) is 100 nm. Further, the film thickness of the formed Ti film 25 is 13 nm in FIG. 5A and 10 nm in FIG. 5B, respectively.

図5(A)では、主にTaイオン26aによりビア孔24の底部のTa膜26とTi膜25とをエッチングするため、ビア孔24の底部のTa膜26の膜厚が、トレンチ溝23の底部のTa膜26の膜厚よりも極端に薄くなっていることを確認することができる。   In FIG. 5A, since the Ta film 26 and the Ti film 25 at the bottom of the via hole 24 are etched mainly by Ta ions 26a, the film thickness of the Ta film 26 at the bottom of the via hole 24 is It can be confirmed that the thickness is extremely smaller than the thickness of the Ta film 26 at the bottom.

一方、図5(B)でも、同様に、ビア孔24の底部にTa膜26が残存するが、Ti膜25が13nmの場合(図5(A))と比べて、ビア孔24の底部が深くエッチングされており、ビア孔24の底部のTa膜26の膜厚はトレンチ溝23の底部のTa膜26の膜厚よりも極端に薄くなっており、配線層21の上面にもCu層29が形成されていることを確認することができる。   On the other hand, in FIG. 5B as well, the Ta film 26 remains at the bottom of the via hole 24, but the bottom of the via hole 24 is less than the case where the Ti film 25 is 13 nm (FIG. 5A). The thickness of the Ta film 26 at the bottom of the via hole 24 is extremely smaller than the thickness of the Ta film 26 at the bottom of the trench groove 23, and the Cu layer 29 is also formed on the upper surface of the wiring layer 21. Can be confirmed.

したがって、トレンチ溝23の底部にはTa膜26が成膜されており、Ti膜25の、シードCu膜28aおよびCu層29への露出が防がれていることが確認できる。
次に、TaおよびTiのCuとの関係を説明する。
Therefore, it can be confirmed that the Ta film 26 is formed at the bottom of the trench groove 23 and the Ti film 25 is prevented from being exposed to the seed Cu film 28a and the Cu layer 29.
Next, the relationship between Ta and Ti with Cu will be described.

図6は、銅およびチタン、銅およびタンタルの相図である。
図6(A)は、CuとTiとの相図を示したグラフであって、これによれば、TiはCuと比較的反応しやすいことがわかる。一方、図6(B)は、CuとTaとの相図を示したグラフであって、これによれば、TaはCuと反応しにくいことがわかる。
FIG. 6 is a phase diagram of copper and titanium, copper and tantalum.
FIG. 6A is a graph showing a phase diagram of Cu and Ti. According to this graph, it can be seen that Ti reacts relatively easily with Cu. On the other hand, FIG. 6B is a graph showing a phase diagram of Cu and Ta, and it can be seen that Ta hardly reacts with Cu.

このことから、TiとCuとは反応しやすいため、例えば、Ti膜25にシードCu膜28が直接成膜されると、Ti元素の拡散が生じることが予想され、Ti元素とCu元素とが反応すると、ビア孔24および金属配線のCu層29において抵抗が高くなることが予想される。ところが、本実施の形態では、既に説明したように、Ta膜26がバリアとなって、Ti膜25のTi元素のCu層29中での拡散が防止されて、抵抗の増加は生じない。なお、ビア孔24の側壁の生成されたTiTa膜27には、Ti元素が存在するため、シードCu膜28とビア孔24の側壁との付き回りが良くなる。以下にこの点について説明する。   From this, Ti and Cu are likely to react. For example, when the seed Cu film 28 is directly formed on the Ti film 25, it is expected that Ti element will be diffused. Upon reaction, the resistance is expected to increase in the via hole 24 and the Cu layer 29 of the metal wiring. However, in the present embodiment, as already described, the Ta film 26 serves as a barrier, the diffusion of the Ti element of the Ti film 25 in the Cu layer 29 is prevented, and the resistance does not increase. The TiTa film 27 generated on the side wall of the via hole 24 contains Ti element, so that the contact between the seed Cu film 28 and the side wall of the via hole 24 is improved. This point will be described below.

次に、これらのアスペクト比に対するシードCu膜の成膜膜厚について説明する。
図7は、ビア孔のアスペクト比に対するシードCuの膜厚のグラフである。
図7は、x軸は、ビア孔のアスペクト比を示し、y軸は、ビア孔の側壁に成膜されたシードCu膜の膜厚を示している。
Next, the film thickness of the seed Cu film for these aspect ratios will be described.
FIG. 7 is a graph of the thickness of the seed Cu with respect to the aspect ratio of the via hole.
In FIG. 7, the x-axis indicates the aspect ratio of the via hole, and the y-axis indicates the film thickness of the seed Cu film formed on the sidewall of the via hole.

これによれば、アスペクト比が1.5以下のビア孔では、従来例1と本実施の形態においては同じ結果であった。一方、アスペクト比が2.5のビア孔では、本実施の形態の方が従来例1よりもシードCu膜の膜厚が厚く形成されていることが示された。ビア孔の側壁のシードCu膜が厚く形成されると、埋め込み性能が向上するので、本実施の形態は高い埋め込み性能を有する。また、この埋め込み性能が低いと、ビア孔内にボイド(空孔)が生じ、配線信頼性が低くなるので、本実施の形態は配線信頼性が高いことがわかる。   According to this, in the via hole having an aspect ratio of 1.5 or less, the same result was obtained in Conventional Example 1 and this embodiment. On the other hand, in the via hole having an aspect ratio of 2.5, it was shown that the seed Cu film was formed thicker in this embodiment than in Conventional Example 1. When the seed Cu film on the side wall of the via hole is formed thick, the embedding performance is improved. Therefore, the present embodiment has a high embedding performance. In addition, when this embedding performance is low, voids (voids) are generated in the via holes and the wiring reliability is lowered. Therefore, it can be seen that this embodiment has a high wiring reliability.

次に、本実施の形態のビア孔の断面のEDX(Energy Dispersive X-ray:エネルギー分散型X線分析装置)による分析について説明する。
図8は、本実施の形態におけるEDX分析が行われるビア孔の断面模式図である。なお、図8では、シードCu膜28およびCu層29の成膜および形成は省略するものとする。
Next, the analysis by the EDX (Energy Dispersive X-ray) of the cross section of the via hole of this Embodiment is demonstrated.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a via hole in which EDX analysis is performed in the present embodiment. In FIG. 8, the formation and formation of the seed Cu film 28 and the Cu layer 29 are omitted.

一般に、図8(A)に示すように、半導体装置に形成されたビア孔の開口部の平面の断面は円形である。ところが、EDX分析を行うためのFIB(Focused Ion Beam:集積イオンビーム)加工を施すと、ビア孔の開口部の曲率部によって観察結果に干渉が生じる。そこで、ここでは、図8(B)に示すように、開口部の平面の断面が四角形であると仮定して、FIB加工を施してEDX観察を行った。また、本発明の実施の形態では、トレンチ溝23のTa膜26が残るように、ビア孔24の底部をエッチングしたが、本サンプルでは、ビア孔をトレンチ溝に近似してEDX分析することを目的とする為、トレンチ溝23のTa膜26が残らないようにトレンチ溝23の底部にエッチングを行った。なお、70nmの幅のトレンチ溝23を形成し、Ti膜25を20nm成膜する。Ti膜25上に、さらに、Ta膜26を成膜している。Ta膜26の成膜には、ロングスロースパッタ法を用いて、ターゲット電源を1kWから18kW、基板バイアスが0W、Vdが1nm/secおよびVeが0nm/secの条件で、Ta膜26の膜厚が3nmとなるように成膜した。そして、底部に成膜されたTa膜26とTi膜25とをエッチングする。この条件は、ターゲット電力を1kWから5kW、基板バイアス電力を200Wから400W、Ta膜Vd=0.7nm/sec、Ve=0.9nm/secで、成膜時間を40秒間とした。   In general, as shown in FIG. 8A, the planar cross section of the opening of the via hole formed in the semiconductor device is circular. However, when FIB (Focused Ion Beam) processing for performing EDX analysis is performed, interference occurs in the observation result due to the curvature of the opening of the via hole. Therefore, here, as shown in FIG. 8B, assuming that the cross section of the plane of the opening is a quadrangle, FIB processing was performed and EDX observation was performed. Further, in the embodiment of the present invention, the bottom of the via hole 24 is etched so that the Ta film 26 in the trench groove 23 remains. However, in this sample, the EDX analysis is performed by approximating the via hole to the trench groove. For the purpose, the bottom of the trench groove 23 was etched so that the Ta film 26 in the trench groove 23 did not remain. A trench groove 23 having a width of 70 nm is formed, and a Ti film 25 is formed to a thickness of 20 nm. A Ta film 26 is further formed on the Ti film 25. The Ta film 26 is formed by using a long throw sputtering method under the conditions of a target power supply of 1 kW to 18 kW, a substrate bias of 0 W, Vd of 1 nm / sec, and Ve of 0 nm / sec. Was formed to be 3 nm. Then, the Ta film 26 and the Ti film 25 formed on the bottom are etched. The conditions were a target power of 1 kW to 5 kW, a substrate bias power of 200 W to 400 W, a Ta film Vd = 0.7 nm / sec, Ve = 0.9 nm / sec, and a film formation time of 40 seconds.

そして、FIB加工を行ったビア孔の断面のSTEM観察結果について示す。
図9は、FIB加工が行われたビア孔の断面のSTEMによる観察写真である。
既に説明したように、ビア孔をトレンチ溝に近似しているために、図9(A)に示すような形状となっている。また、図9(A)の底部の拡大写真が図9(B)である。図9(B)の底部では、エッチングされていることがわかる。
And it shows about the STEM observation result of the cross section of the via hole which performed FIB processing.
FIG. 9 is an STEM observation photograph of a cross section of a via hole that has been subjected to FIB processing.
As already described, since the via hole is approximated to a trench groove, the shape is as shown in FIG. Moreover, the enlarged photograph of the bottom part of FIG. 9 (A) is FIG. 9 (B). It can be seen that the bottom of FIG. 9B is etched.

次に、このようにFIB加工が行われたトレンチ溝の底部のEDX分析について説明する。
図10は、本実施の形態におけるトレンチ溝のEDX分析結果である。なお、EDX分析によって、さまざまな元素の存在を確認することができるが、ここでは、Ti元素およびTa元素に着目することとする。
Next, an EDX analysis of the bottom of the trench groove subjected to the FIB processing in this way will be described.
FIG. 10 shows the EDX analysis result of the trench groove in the present embodiment. Note that the presence of various elements can be confirmed by EDX analysis, but attention is paid to the Ti element and the Ta element here.

図10(A)は、図9(B)の拡大図であって、EDX分析結果のグラフを各膜の成分に対応して記載している。また、図10(B)および図10(C)では、x軸は、FIB加工保護用SOG膜からの距離、y軸は、分析器の検出器でカウントした個数を示している。同じ元素で比べて、カウントした個数が大きい程、その原子量が多いことになる。なお、図10(C)は、図10(B)における低カウント個数領域を示している。   FIG. 10A is an enlarged view of FIG. 9B, in which a graph of the EDX analysis result is described corresponding to each film component. 10B and 10C, the x-axis indicates the distance from the FIB processing protection SOG film, and the y-axis indicates the number counted by the detector of the analyzer. Compared with the same element, the larger the counted number, the greater the atomic weight. FIG. 10C shows a low count number region in FIG. 10B.

特に、図10(B)によると、FIB加工保護用SOG膜からの距離が遠くなると、まず、TiTa膜27の存在が確認できる。さらに、x軸の増加方向に進むと、Ta元素のピークが現れ、Ta膜26の存在が確認できる。また、Ta元素が減少し、Ti元素のピークが現れ、Ti膜25の存在が確認できる。そして、Ti元素およびTa元素ともに減少し、層間絶縁膜22aが存在することがわかる。   In particular, according to FIG. 10B, when the distance from the FIB processing protection SOG film increases, the presence of the TiTa film 27 can be confirmed first. Further, as the x-axis increases, Ta element peaks appear, and the presence of the Ta film 26 can be confirmed. In addition, the Ta element decreases, the Ti element peak appears, and the presence of the Ti film 25 can be confirmed. It can be seen that both the Ti element and the Ta element decrease, and the interlayer insulating film 22a exists.

以上、本実施の形態による半導体装置の評価結果から、トレンチ溝の底部に成膜されたTi膜を覆うTa膜の構成を保持しつつ、ビア孔の底部に成膜されたTi膜とTa膜とだけをエッチングし、ビア孔の側壁上のTiTa膜が生成されることがわかる。したがって、トレンチ溝を埋め込むCu層へのTi元素の混入による抵抗上昇を抑制し、ビア孔の底部の高抵抗膜であるTi膜およびTa膜を除去し、ビア孔の側壁に生成されたTiTa膜によって、メッキ堆積した時の埋め込み性能が向上してボイド(空孔)の発生を抑制し、さらに、メッキ堆積後の工程によってかかる熱履歴によって、Ti元素がCuの粒界面に偏析し、ビア孔でのボイド(空孔)の拡散やグレイン成長を抑え、配線間信頼性を高めることができる。   As described above, from the evaluation results of the semiconductor device according to the present embodiment, the Ti film and the Ta film formed on the bottom of the via hole while maintaining the structure of the Ta film covering the Ti film formed on the bottom of the trench groove. It can be seen that a TiTa film on the side wall of the via hole is formed by etching only. Therefore, the resistance increase due to the mixing of Ti element into the Cu layer filling the trench groove is suppressed, the Ti film and the Ta film which are high resistance films at the bottom of the via hole are removed, and the TiTa film generated on the sidewall of the via hole As a result, the embedding performance at the time of plating deposition is improved and the generation of voids (holes) is suppressed, and further, Ti elements are segregated at the grain interface of Cu due to the heat history applied by the process after plating deposition, and via holes are formed. It is possible to suppress the diffusion of voids (holes) and grain growth in the semiconductor layer and to improve the reliability between wirings.

なお、実施の形態において、Ti膜にはTi元素のほか、Cuと反応性がよい、例えば、ジルコニウム(Zr)、マンガン(Mn)または、Ti、Zr、Mnのうちの2種の合金であってもよい。また、Ta膜の他、Cu拡散防止性の特性を持つ、例えば、タングステン(W)または、TaおよびWの合金であってもよい。その他、本実施の形態を構成可能な材料系の組合せにしても同様の効果が得られる。   In the embodiment, the Ti film has good reactivity with Cu in addition to the Ti element, for example, zirconium (Zr), manganese (Mn), or two kinds of alloys of Ti, Zr, and Mn. May be. In addition to the Ta film, it may be, for example, tungsten (W) or an alloy of Ta and W having Cu diffusion preventing characteristics. In addition, the same effect can be obtained by combining the material systems that can constitute the present embodiment.

(付記1) 半導体基板上に第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜にトレンチ溝および前記トレンチ溝中にあって前記第1の配線層に達するビア孔を形成する工程と、
前記トレンチ溝と前記ビア孔と前記層間絶縁膜との表面に第1の金属からなる第1の金属膜を成膜する第1の成膜工程と、
スパッタ法を用いて、前記ビア孔の底部の前記第1の金属膜をエッチングするとともに、全面に第2の金属からなる第2の金属膜を成膜する第2の成膜工程と、
前記ビア孔と前記トレンチ溝とを導電性材料で埋め込んで第2の配線層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Additional remark 1) The process of forming a 1st wiring layer on a semiconductor substrate,
Forming an interlayer insulating film on the first wiring layer;
Forming a trench groove in the interlayer insulating film and a via hole reaching the first wiring layer in the trench groove;
A first film forming step of forming a first metal film made of a first metal on the surfaces of the trench groove, the via hole, and the interlayer insulating film;
A second film forming step of etching the first metal film at the bottom of the via hole using a sputtering method and forming a second metal film made of a second metal on the entire surface;
A step of filling the via hole and the trench groove with a conductive material to form a second wiring layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:

(付記2) 前記第1の成膜工程後、前記第2の成膜工程の前に、全面に前記第2の金属からなる第3の金属膜を成膜する第3の成膜工程を有することを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 2) It has the 3rd film-forming process which forms the 3rd metal film which consists of the said 2nd metal on the whole surface after the said 1st film-forming process and before the said 2nd film-forming process. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 1, wherein:

(付記3) 前記第2の成膜工程における堆積速度とエッチング速度との比を、堆積速度/エッチング速度とすると、前記ビア孔の底部における堆積速度/エッチング速度が他の領域における堆積速度/エッチング速度よりも小さい条件で、前記第2の成膜工程を行うことを特徴とする付記1または2記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary Note 3) If the ratio of the deposition rate and the etching rate in the second film forming step is the deposition rate / etching rate, the deposition rate / etching rate at the bottom of the via hole is the deposition rate / etching in other regions. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 1 or 2, wherein the second film forming step is performed under a condition smaller than the speed.

(付記4) 前記第2の成膜工程により、前記ビア孔の側壁に前記第1の金属と前記第2の金属とを有する第4の金属膜が形成されることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 4) The 4th metal film which has the said 1st metal and the said 2nd metal is formed in the side wall of the said via hole by the said 2nd film-forming process, Additional remark 1 thru | or 1 characterized by the above-mentioned. 4. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 3 above.

(付記5) 前記第2の成膜工程において、アルゴン、ヘリウムまたはキセノンを用いることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記6) 前記第1の金属は、チタン、ジルコニウムおよびマンガンのうちのいずれか、もしくは、これらの合金であることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 5) Argon, helium, or xenon is used in the said 2nd film-forming process, The manufacturing method of the semiconductor device of any one of Additional remark 1 thru | or 4 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 6) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 5, wherein the first metal is any one of titanium, zirconium, and manganese, or an alloy thereof. Method.

(付記7) 前記第2の金属は、タンタル、タングステンのいずれか、もしくはこれらの合金であることを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 7) The said 2nd metal is either tantalum, tungsten, or these alloys, The manufacturing method of the semiconductor device of any one of Additional remark 1 thru | or 6 characterized by the above-mentioned.

(付記8) 前記導電性材料は銅であることを特徴とする付記1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記導電性材料を埋め込む工程は、シード銅膜を形成し、前記シード銅膜上に、メッキ法を用いて銅配線膜を堆積することを特徴とする付記8記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 8) The said conductive material is copper, The manufacturing method of the semiconductor device of any one of Additional remark 1 thru | or 7 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 9) The step of embedding the conductive material includes forming a seed copper film and depositing a copper wiring film on the seed copper film using a plating method. Production method.

(付記10) 前記シード銅膜はスパッタ法によって成膜されることを特徴とする付記9記載の半導体装置の製造方法。
(付記11) 前記第2の成膜工程後、前記第2の配線層を形成する工程の前に、前記第2の金属からなる第5の金属膜をスパッタ法により全面に堆積する工程をさらに有することを特徴とする付記1乃至10のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 10) The said copper seed film | membrane is formed into a film by a sputtering method, The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 9 characterized by the above-mentioned.
(Additional remark 11) After the said 2nd film-forming process, before the process of forming the said 2nd wiring layer, the process of depositing the 5th metal film which consists of said 2nd metal on the whole surface by sputtering method further 11. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 10, wherein the method includes:

(付記12) 半導体基板上に形成された第1の配線層と、
前記第1の配線層上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成されたトレンチ溝と、
前記トレンチ溝中に形成された前記第1の配線層に達するビア孔と、
前記トレンチ溝の底部および側壁と前記ビア孔の側壁との表面に成膜された第1の金属からなる第1の金属膜と、
前記トレンチ溝の底部および側壁と前記ビア孔の側壁との表面に成膜された第2の金属からなる第2の金属膜と、
前記ビア孔の側壁に成膜された、前記第1の金属と前記第2の金属とを有する第3の金属膜と、
前記ビア孔と前記トレンチ溝とに埋め込まれた第2の配線層と、
を有することを特徴とする半導体装置。
(Additional remark 12) The 1st wiring layer formed on the semiconductor substrate,
An interlayer insulating film formed on the first wiring layer;
A trench groove formed in the interlayer insulating film;
A via hole reaching the first wiring layer formed in the trench groove;
A first metal film made of a first metal formed on the bottom and side walls of the trench groove and the surface of the side wall of the via hole;
A second metal film made of a second metal formed on the bottom and side walls of the trench groove and the surface of the side wall of the via hole;
A third metal film having the first metal and the second metal formed on the sidewall of the via hole;
A second wiring layer embedded in the via hole and the trench groove;
A semiconductor device comprising:

(付記13) 前記第1の金属は、チタン、ジルコニウムおよびマンガンのうちのいずれか、もしくは、これらの合金であることを特徴とする付記12記載の半導体装置。
(付記14) 前記第2の金属は、タンタル、タングステンのいずれか、もしくはこれらの合金であることを特徴とする付記12または13に記載の半導体装置。
(Supplementary note 13) The semiconductor device according to supplementary note 12, wherein the first metal is any one of titanium, zirconium, and manganese, or an alloy thereof.
(Additional remark 14) The said 2nd metal is either tantalum, tungsten, or these alloys, The semiconductor device of Additional remark 12 or 13 characterized by the above-mentioned.

(付記15) 前記導電性材料は銅であることを特徴とする付記12乃至14のいずれか1項に記載の半導体装置。   (Additional remark 15) The said conductive material is copper, The semiconductor device of any one of Additional remark 12 thru | or 14 characterized by the above-mentioned.

10 半導体装置
11 配線層
12 層間絶縁膜
13 トレンチ溝
14 ビア孔
15,16 金属膜
17a 導電性材料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor device 11 Wiring layer 12 Interlayer insulation film 13 Trench groove 14 Via hole 15,16 Metal film 17a Conductive material

Claims (7)

半導体基板上に第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜にトレンチ溝および前記トレンチ溝中にあって前記第1の配線層に達するビア孔を形成する工程と、
前記トレンチ溝内、前記ビア孔内および前記層間絶縁膜上に第1の金属からなる第1の金属膜を成膜する第1の成膜工程と、
スパッタ法を用いて、前記ビア孔の底部の前記第1の金属膜をエッチングするとともに、前記トレンチ溝の底部および側壁と前記ビア孔の側壁とに第2の金属からなる第2の金属膜を成膜する第2の成膜工程と、
前記ビア孔と前記トレンチ溝とを銅で埋め込んで第2の配線層を形成する工程と、
を有し、
前記第1の金属は、チタン、ジルコニウムおよびマンガンのうちのいずれか、もしくはこれらの合金であり、
前記第2の金属は、タンタル、タングステンのいずれか、もしくはこれらの合金であること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first wiring layer on the semiconductor substrate;
Forming an interlayer insulating film on the first wiring layer;
Forming a trench groove in the interlayer insulating film and a via hole reaching the first wiring layer in the trench groove;
A first film forming step of forming a first metal film made of a first metal in the trench groove, in the via hole, and on the interlayer insulating film;
Using a sputtering method, the first metal film at the bottom of the via hole is etched, and a second metal film made of a second metal is formed on the bottom and side walls of the trench groove and the side wall of the via hole. A second film forming step of forming a film;
Filling the via hole and the trench groove with copper to form a second wiring layer;
Have
The first metal is any one of titanium, zirconium and manganese, or an alloy thereof.
The second metal is tantalum, tungsten, or an alloy thereof;
A method of manufacturing a semiconductor device.
前記第1の成膜工程後、前記第2の成膜工程の前に、全面に前記第2の金属からなる第3の金属膜を成膜する第3の成膜工程を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。   After the first film forming step, and before the second film forming step, the method includes a third film forming step of forming a third metal film made of the second metal on the entire surface. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記第2の成膜工程における堆積速度とエッチング速度との比を、堆積速度/エッチング速度とすると、前記ビア孔の底部における堆積速度/エッチング速度が他の領域における堆積速度/エッチング速度よりも小さい条件で、前記第2の成膜工程を行うことを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置の製造方法。   When the ratio between the deposition rate and the etching rate in the second film forming step is the deposition rate / etching rate, the deposition rate / etching rate at the bottom of the via hole is smaller than the deposition rate / etching rate in other regions. 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second film forming step is performed under conditions. 前記第2の成膜工程により、前記ビア孔の側壁に前記第1の金属と前記第2の金属とを有する第4の金属膜が形成されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   4. The fourth metal film having the first metal and the second metal is formed on a side wall of the via hole by the second film forming step. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記第2の成膜工程後、前記第2の配線層を形成する工程の前に、前記第2の金属からなる第5の金属膜をスパッタ法により前記第2の金属膜上に堆積する工程をさらに有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   A step of depositing a fifth metal film made of the second metal on the second metal film by a sputtering method after the second film forming step and before the step of forming the second wiring layer. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: 半導体基板上に形成された第1の配線層と、
前記第1の配線層上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成されたトレンチ溝と、
前記トレンチ溝中に形成された前記第1の配線層に達するビア孔と、
前記トレンチ溝の底部および側壁と前記ビア孔の側壁とに成膜された第1の金属からなる第1の金属膜と、
前記トレンチ溝の底部および側壁と前記ビア孔の側壁とに成膜された第2の金属からなる第2の金属膜と、
前記ビア孔の側壁に成膜された、前記第1の金属と前記第2の金属とを有する第3の金属膜と、
前記ビア孔と前記トレンチ溝とに埋め込まれた銅からなる第2の配線層と、
を有し、
前記第1の金属は、チタン、ジルコニウムおよびマンガンのうちのいずれか、もしくはこれらの合金であり、
前記第2の金属は、タンタル、タングステンのいずれか、もしくはこれらの合金であること、
を特徴とする半導体装置。
A first wiring layer formed on the semiconductor substrate;
An interlayer insulating film formed on the first wiring layer;
A trench groove formed in the interlayer insulating film;
A via hole reaching the first wiring layer formed in the trench groove;
A first metal film made of a first metal formed on the bottom and side walls of the trench groove and the side walls of the via holes;
A second metal film made of a second metal formed on the bottom and side walls of the trench groove and the side walls of the via hole;
A third metal film having the first metal and the second metal formed on the sidewall of the via hole;
A second wiring layer made of copper embedded in the via hole and the trench groove;
Have
The first metal is any one of titanium, zirconium and manganese, or an alloy thereof.
The second metal is tantalum, tungsten, or an alloy thereof;
A semiconductor device characterized by the above.
前記第3の金属膜と前記第2の配線層との間に形成された、前記第1の金属と前記銅とからなる第4の金属膜を有することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。   7. The method according to claim 6, further comprising: a fourth metal film formed between the third metal film and the second wiring layer and made of the first metal and the copper. Semiconductor device.
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