JP2013074173A - Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法、半導体装置に関し、詳しくは微細な配線を高精度に形成する技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device, and more particularly to a technique for forming fine wiring with high accuracy.
従来、基板に形成した半導体素子等の微細な配線材料として、アルミニウムやアルミニウム合金が用いられていた。しかし、アルミニウムは融点が低く、かつ耐マイグレーション性に劣るため、半導体素子の高集積化、高速化への対応が困難であった。 Conventionally, aluminum or an aluminum alloy has been used as a fine wiring material such as a semiconductor element formed on a substrate. However, since aluminum has a low melting point and poor migration resistance, it has been difficult to cope with high integration and high speed of semiconductor elements.
このため、近年は配線材料として、銅が用いられるようになっている。銅はアルミニウムより融点が高く、かつ電気抵抗率も低いため、LSI配線材料として有力である。しかし、配線材料として銅が用いる際には微細加工が困難であるという課題があった。例えば、特許文献1には、絶縁層に溝を形成し、この溝の内部に銅を埋め込み、その後、溝からはみ出した余分な銅を除去することにより、微細な溝内に銅配線を形成する方法が提案されている。 For this reason, in recent years, copper has been used as a wiring material. Copper has a higher melting point than aluminum and has a low electrical resistivity, so it is a promising LSI wiring material. However, when copper is used as a wiring material, there has been a problem that fine processing is difficult. For example, in Patent Document 1, a groove is formed in an insulating layer, copper is embedded in the groove, and then, excess copper protruding from the groove is removed, thereby forming a copper wiring in a fine groove. A method has been proposed.
しかしながら、特許文献1に記載された発明では、溝の内部に隙間無く銅を埋め込むことが困難であるという課題があった。
即ち、溝の内部にスパッタリングによって銅を積層する場合、微細な溝の内部まで銅が堆積せず、溝の内部は空洞のまま溝の開口端付近だけ銅が堆積してしまう。
また、リフロー法によって溝の内部を溶融した銅によって埋め込む場合、溝の内壁面に予め形成されるバリアメタル層に対して、溶融した銅との濡れ性が悪く、溝の内部に空洞が生じた状態で銅が固化するという課題があった。
このように溝の内部に形成した銅配線に空洞が生じると、銅配線の抵抗値が高くなり、断線の虞もある。
However, the invention described in Patent Document 1 has a problem that it is difficult to embed copper without a gap in the groove.
That is, when copper is laminated inside the groove by sputtering, copper is not deposited up to the inside of the fine groove, and copper is deposited only in the vicinity of the opening end of the groove while the inside of the groove is hollow.
In addition, when the inside of the groove is filled with molten copper by the reflow method, the barrier metal layer formed in advance on the inner wall surface of the groove is poor in wettability with the molten copper, resulting in a cavity inside the groove. There was a problem that copper solidified in the state.
Thus, when a cavity arises in the copper wiring formed in the inside of a groove | channel, the resistance value of a copper wiring will become high and there exists a possibility of a disconnection.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、微細な溝部の内部に隙間無く導電材料を埋め込み、導電性に優れた配線を得ることが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device capable of obtaining a wiring having excellent conductivity by embedding a conductive material in a fine groove without gaps. provide.
上記課題を解決するために、本発明は次のような半導体装置の製造方法、半導体装置を提供する。
即ち、本発明の半導体装置の製造方法は、基体に溝部を形成する溝部形成工程と、少なくとも該溝部の内壁面を覆うバリア層を形成するバリア層形成工程と、該バリア層を覆うライナー層を形成するライナー層形成工程と、該ライナー層の内側領域に導電材料を埋め込む埋込工程と、を少なくとも備え、
前記ライナー層はNi、前記導電材料はCuからなることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following method for manufacturing a semiconductor device and semiconductor device.
That is, the semiconductor device manufacturing method of the present invention includes a groove forming step for forming a groove in a substrate, a barrier layer forming step for forming a barrier layer covering at least the inner wall surface of the groove, and a liner layer covering the barrier layer. A liner layer forming step to be formed; and an embedding step of embedding a conductive material in an inner region of the liner layer,
The liner layer is made of Ni, and the conductive material is made of Cu.
前記埋込工程は、前記ライナー層を覆う前記導電材料からなるシード層を形成し、該シード層をリフロー法によって溶融させる工程であることを特徴とする。
また、前記埋込工程は、前記ライナー層を覆うように前記導電材料をスパッタリング法によって積層させる工程であることを特徴とする。
The embedding step is a step of forming a seed layer made of the conductive material covering the liner layer and melting the seed layer by a reflow method.
The embedding step is a step of laminating the conductive material by a sputtering method so as to cover the liner layer.
前記バリア層は、Ta,Ti,W,Ru,V,Co,Nbのうち、少なくとも一種を含む材料からなることを特徴とする。
また、前記基体は、半導体基板と、該半導体基板の一面に形成された絶縁層とからなることを特徴とする。
The barrier layer is made of a material containing at least one of Ta, Ti, W, Ru, V, Co, and Nb.
Further, the substrate is characterized by comprising a semiconductor substrate and an insulating layer formed on one surface of the semiconductor substrate.
本発明の半導体装置は、基体に形成された溝部と、該溝部の内壁面を覆うバリア層と、該バリア層を覆うライナー層と、該ライナー層の内側領域に埋め込まれた導電体と、を少なくとも備え、
前記ライナー層はNi、前記導電体はCuからなることを特徴とする。
A semiconductor device of the present invention includes a groove formed in a base, a barrier layer that covers an inner wall surface of the groove, a liner layer that covers the barrier layer, and a conductor embedded in an inner region of the liner layer. At least,
The liner layer is made of Ni and the conductor is made of Cu.
本発明の半導体装置の製造方法、半導体装置によれば、導電材料の埋込工程において、予めバリア層を覆うライナー層を形成しておくことによって、シード層を溶融した導電材料とライナー層との接触面で濡れ性が高められる。
即ち、酸化物や窒化物など、主に金属化合物からなるバリア層は、表面に微細な凹凸が生じやすく表面平滑性に乏しい。かつ、導電材料であるCuは、主に化合物からなるバリア層に対して濡れ性、流動性に乏しい。
According to the method for manufacturing a semiconductor device and the semiconductor device of the present invention, in the step of embedding the conductive material, the liner layer that covers the barrier layer is formed in advance, so that the conductive material and the liner layer in which the seed layer is melted are formed. The wettability is improved at the contact surface.
That is, a barrier layer mainly composed of a metal compound such as oxide or nitride is likely to have fine irregularities on the surface and has poor surface smoothness. And Cu which is a conductive material is poor in wettability and fluidity with respect to a barrier layer mainly composed of a compound.
このため、本発明のように、Niからなるライナー層を、バリア層を覆うように形成することによって、溶融したCuに対する濡れ性、流動性が大幅に改善される。また、Ni膜は表面平滑性にも優れている。このため、高アスペクト比の溝部であっても、溶融したCuが溝部の隅々まで内部に空洞を生じることなく均一に行き渡り、局所的な断線部分のない高精度な導電体を得ることができる。 For this reason, by forming the liner layer made of Ni so as to cover the barrier layer as in the present invention, wettability and fluidity with respect to molten Cu are greatly improved. The Ni film is also excellent in surface smoothness. For this reason, even if the groove portion has a high aspect ratio, the molten Cu spreads uniformly to the corners of the groove portion without generating cavities therein, and a highly accurate conductor without a local disconnection portion can be obtained. .
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法、半導体装置について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は発明の趣旨をより良く理解させるために、一例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 A semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that this embodiment is described by way of example in order to better understand the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features of the present invention easier to understand, there is a case where a main part is shown in an enlarged manner for convenience, and the dimensional ratio of each component is the same as the actual one. Not necessarily.
(半導体装置)
図1は、本発明の半導体装置の一例を示す要部拡大断面図である。
半導体装置10は、基体11を備えている。基体11は、絶縁性基板、例えばガラス基板、樹脂基板などから構成される。なお、この基体11の一部に、例えば半導体素子等が形成されていてもよい。
(Semiconductor device)
FIG. 1 is an enlarged sectional view of an essential part showing an example of a semiconductor device of the present invention.
The
基体11の一面11aには、溝部(トレンチ)12が形成されている。溝部12は、例えば、基体11の一面11aから基体11の厚み方向に掘り下げられた幅が細く、かつ深い微細な溝からなる。溝部12の底部の幅Wは、例えば20nm〜50nm程度になるように形成される。また、溝部12の深さDは、例えば80nm〜200nm程度になるように形成される。このような溝部12の内側領域に、例えば半導体素子の回路配線を構成する導電体が形成される。
A groove portion (trench) 12 is formed on one
溝部12には、内壁面12aを覆うように、バリア層(バリアメタル)13が形成されている。バリア層13は、例えば、Ta(タンタル)窒化物、Ta珪化物、Ta炭化物、Ti(チタン)窒化物、Ti珪化物、Ti炭化物、W(タングステン)窒化物、W珪化物、W炭化物、Ru(ルテニウム)、およびRu酸化物、V(バナジウム)酸化物,Co(コバルト)酸化物,Nb(ニオブ)酸化物などから構成される。
バリア層(バリアメタル)13は、厚みt1が例えば1nm〜3nm程度になるように形成される。
In the
The barrier layer (barrier metal) 13 is formed so that the thickness t1 is, for example, about 1 nm to 3 nm.
更に、バリア層(バリアメタル)13を覆うようにライナー層14が形成されている。ライナー層14は、Ni(ニッケル)から構成される。ライナー層14は、このライナー層14の内側に形成されるCu(銅)からなる導電体15に対する濡れ性を高め、かつ、溝部12の内側の平滑性を高める。
ライナー層14は、厚みt2が例えば0.5nm〜3nm程度になるように形成される。
Further, a
The
溝部12におけるライナー層14の内側領域には、導電材料からなる導電体15が形成されている。導電体15は、Cu(銅)から構成されている。この導電体15は、ライナー層14の内側にシード層16を形成し、このシード層16を溶融(リフロー)することによって、溝部12を埋め込む導電体15を形成する。あるいは、ライナー層14の内側領域に、スパッタリング法によって直接導電材料を堆積させて導電体15を形成する。導電体15は、例えば、基体11に形成された半導体素子の回路配線となる。
A
このような構成の半導体装置10によれば、バリア層(バリアメタル)13と、Cuからなる導電体15との間に、Niからなるライナー層14を形成することによって、導電体15の形成時に、導電材料が溝部12の内側を隙間無く埋め込まれる。よって、電気抵抗が均一で、かつ断線などの懸念の無いCuからなる導電体(回路配線)15を備えた半導体装置10が実現できる。
According to the
(半導体装置の製造方法)
図2、図3は、本発明の半導体装置の製造方法を段階的に示した要部拡大断面図である。
本発明の半導体装置を製造する際には、まず、基体11を用意する(図2(a)参照)。基体11としては、絶縁性基板、半導体基板が用いられる。絶縁性基板として、例えば、ガラス基板、樹脂基板が挙げられる。また、半導体基板としては、例えば、シリコンウェーハ、SiCウェーハなどが挙げられる。基体11には、例えば、予め半導体素子(図示略)が形成されている。
(Method for manufacturing semiconductor device)
FIG. 2 and FIG. 3 are enlarged cross-sectional views of the relevant part showing the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention step by step.
When manufacturing the semiconductor device of the present invention, first, the
次に、この基体11の一面11aに、所定の深さの溝部12を形成する(図2(b)参照:溝部形成工程)。溝部12は、例えば、半導体素子の回路配線を象ったパターンとなるように形成される。基体11の一面11aに溝部12を形成する方法としては、例えば、フォトリソグラフィーによるエッチング加工や、レーザー光による加工を用いることができる。
Next, a
次に、溝部12の内壁面12aを含む基体11の一面11aに、所定の厚みのバリア層(バリアメタル)13を形成する(図2(c)参照:バリア層形成工程)。バリア層(バリアメタル)13は、例えば、Ta、Ti、W、Ru、V、Co、Nbのうちの少なくとも1種を含む材料を用いて形成する。バリア層13の形成は、例えば、スパッタリング法を用いることが好ましい。また、バリア層(バリアメタル)13は、厚みt1が例えば1nm〜3nm程度になるように形成される。
Next, a barrier layer (barrier metal) 13 having a predetermined thickness is formed on one
図5は、バリア層の形成に用いるスパッタリング装置(成膜装置)の一例を示している。
スパッタリング装置(成膜装置)1は、真空槽2と、真空槽2内部にそれぞれ配置された基板ホルダ7およびターゲット5とを有している。
FIG. 5 shows an example of a sputtering apparatus (film forming apparatus) used for forming the barrier layer.
A sputtering apparatus (film forming apparatus) 1 includes a
真空槽2には真空排気系9とガス供給系4とが接続されており、真空槽2内部を真空排気し、真空排気しながらガス供給系4からスパッタガスと、化学構造中に窒素又は酸素を含む反応ガスを導入し(例えば反応ガスが酸素の場合、流量が0.1sccm以上5sccm以下)、真空槽2内部に大気圧よりも低い成膜雰囲気(例えば全圧が10−4Pa以上10−1Pa以下)を形成する。
A
そして、基体11に溝部12が形成された一面11a側をターゲット5に向けた状態で基板ホルダ7に保持させておく。真空槽2の外部にはスパッタ電源8とバイアス電源6がそれぞれ配置され、ターゲット5はスパッタ電源8に、基板ホルダ7はバイアス電源6にそれぞれ接続されている。
Then, the
真空槽2の外部に磁界形成手段3が配置されており、真空槽2を接地電位に置き、真空槽2内部の成膜雰囲気を維持しながら、ターゲット5に負電圧を印加するとターゲット5はマグネトロンスパッタされる。ターゲット5は、上述したバリア層(バリアメタル)13の形成材料が主成分とされる。
そして、ターゲット5がマグネトロンスパッタされると、バリア層13の形成材料がスパッタ粒子として放出される。
The magnetic field forming means 3 is disposed outside the
When the
放出されたスパッタ粒子と、反応ガスは基体11に溝部12が形成された一面11aに入射し、溝部12の内壁面12aを含む基体11の一面11aを覆うようにバリア層13が形成される。
The released sputtered particles and the reactive gas are incident on one
次に、バリア層13を覆うようにライナー層14を形成する(図3(a)参照:ライナー層形成工程)。ライナー層14は、Niから構成される。ライナー層14は、上述したバリア層13と同様にスパッタリング法、もしくはCVD法によって形成される。
Next, the
例えば、図5に示すスパッタリング装置(成膜装置)1を用いて、ターゲット5をNiとして、上述したバリア層13の形成と同様にNiからなるライナー層14を、バリア層13を覆うように成膜する。ライナー層14は、厚みt2が例えば0.5nm〜3nm程度になるように形成される。
For example, using the sputtering apparatus (film formation apparatus) 1 shown in FIG. 5, the
次に、ライナー層14を覆うようにシード層16を形成する(図3(b)参照)。このシード層16は、次工程においてリフローされ、溝部12に埋め込まれる導電材料となる。シード層16は、Cuから構成される。シード層16は、例えば厚みが20nm〜50nm程度になるように形成される。
Next, the
次に、シード層16を形成した基体11を、シード層16の溶融温度以上に加熱してリフローを行う(図3(c)参照:埋込工程)。これにより、シード層16は溶融して溝部12の内側、即ちライナー層14の内側領域がCuからなる導電材料Mによって埋め込まれる。
Next, the
導電材料の埋込工程において、予めバリア層13を覆うライナー層14を形成しておくことによって、シード層16を溶融した導電材料とライナー層14との接触面で濡れ性が高められる。即ち、酸化物や窒化物など、主に金属化合物からなるバリア層13は、表面に微細な凹凸が生じやすく表面平滑性に乏しい。かつ、導電材料であるCuは、主に化合物からなるバリア層13に対して濡れ性、流動性に乏しい。
In the conductive material embedding step, by forming the
このため、バリア層13に接するように直接Cuを溶融させても、溶融したCuが溝部の内側に円滑に広がらず、内部に空洞が生じたり、局所的にCuが行き渡らない部分(断線部分)が生じる虞があった。特に、幅Wよりも深さDが大幅に大きい高アスペクト比の溝部の場合、溶融したCuに対するバリア層13の濡れ性、平滑性の低さは、均一な厚みで空洞の無い導電部を形成する際の障害となる。
For this reason, even if Cu is directly melted so as to be in contact with the
一方、本発明のように、Niからなるライナー層14をバリア層13を覆うように形成することによって、溶融したCuに対する濡れ性、流動性が大幅に改善される。また、Ni膜は表面平滑性にも優れている。このため、高アスペクト比の溝部12であっても、溶融したCuが溝部12の隅々まで内部に空洞を生じることなく均一に行き渡り、局所的な断線部分のない高精度な導電体を得ることができる。
On the other hand, by forming the
なお、ライナー層14の表面粗さ(平均粗さ)は、Ra=0.5〜1.5程度となる。このような表面粗さにすることで、Niからなるライナー層14とシード層16を溶融した導電材料(Cu)との濡れ性、流動性を良好に保つことができる。
In addition, the surface roughness (average roughness) of the
この後、溝部12を除いた基体11の一面11aに積層されているバリア層13、ライナー層14および導電材料Mを除去する(図3(d)参照)。これによって、それぞれの溝部12ごとに、溝部12を埋め込む導電体15、即ち回路配線が形成される。
Thereafter, the
なお、溝部12の内側に導電材料を埋め込む埋込工程は、上述したように、シード層16を形成して、このシード層16をリフロー法によって溶融する以外にも、例えば、スパッタリング法によって直接導電材料を埋め込むこともできる。
スパッタリング法によって導電材料を埋め込む場合、図5に示すスパッタリング装置(成膜装置)を用いてターゲット5をCuとして、ライナー層14の内側領域を含む基体11の一面11a側にCuからなる導電材料を堆積させる。
The embedding process of embedding a conductive material inside the
When embedding a conductive material by sputtering, the
このようなスパッタリング法によって導電材料を埋め込む場合であっても、Niからなるライナー層14の形成によって、堆積されるCuとライナー層14との密着性、流動性が高められ、ライナー層14の内側にCuを均一に空洞を生じさせること無く堆積させることが可能になる。
Even when the conductive material is embedded by such a sputtering method, the adhesion and fluidity between the deposited Cu and the
図4は、本発明の半導体装置の別な実施形態を示す要部拡大断面図である。
この半導体装置20は、例えば半導体素子が形成された半導体基板22と、半導体基板22の一面22aに順に積層された第一絶縁層23、第二絶縁層24とからなる基体21を備えている。第一絶縁層23は、例えばSiO2、第二絶縁層24は、例えばSiNから形成されている。そして、基体24の第二絶縁層24から第一絶縁層23まで達する溝部(トレンチ)25が形成されている。
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing another embodiment of the semiconductor device of the present invention.
The
溝部25には、内壁面25aを覆うように、バリア層(バリアメタル)26が形成されている。バリア層26は、例えば、Ta、Ti、W、Ru、V、Co、Nbのうちの少なくとも1種を含む材料から構成される。
A barrier layer (barrier metal) 26 is formed in the
更に、バリア層(バリアメタル)26を覆うようにライナー層27が形成されている。ライナー層27は、Ni(ニッケル)から構成される。ライナー層27は、このライナー層27の内側に形成されるCu(銅)からなる導電体28に対する濡れ性を高め、かつ、溝部25の内側の平滑性を高める。
Further, a
溝部25におけるライナー層27の内側領域には、導電材料からなる導電体28が形成されている。導電体28は、Cu(銅)から構成されている。この導電体28は、ライナー層27の内側にシード層29を形成し、このシード層29を溶融(リフロー)することによって、溝部25を埋め込む導電体28を形成する。あるいは、ライナー層27の内側領域に、スパッタリング法によって導電材料を堆積させて導電体28を形成する。
A
このような構成の半導体装置20によれば、バリア層(バリアメタル)26と、Cuからなる導電体28との間に、Niからなるライナー層27を形成することによって、導電体28の形成時に、導電材料が溝部25の内側を隙間無く埋め込まれる。よって、電気抵抗が均一で、かつ断線などの懸念の無いCuからなる導電体(回路配線)28を備えた半導体装置20が実現できる。
According to the
10 半導体装置、11 基体、12 溝部(トレンチ)、13 バリア層(バリアメタル)、14 ライナー層、16 導電体(回路配線)。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
少なくとも該溝部の内壁面を覆うバリア層を形成するバリア層形成工程と、
該バリア層を覆うライナー層を形成するライナー層形成工程と、
該ライナー層の内側領域に導電材料を埋め込む埋込工程と、を少なくとも備え、
前記ライナー層はNi、前記導電材料はCuからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A groove forming step of forming a groove in the substrate;
A barrier layer forming step of forming a barrier layer covering at least the inner wall surface of the groove;
A liner layer forming step of forming a liner layer covering the barrier layer;
Embedding a conductive material in the inner region of the liner layer,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the liner layer is made of Ni and the conductive material is made of Cu.
前記ライナー層はNi、前記導電体はCuからなることを特徴とする半導体装置。
A groove formed in the substrate, a barrier layer covering the inner wall surface of the groove, a liner layer covering the barrier layer, and a conductor embedded in an inner region of the liner layer,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the liner layer is made of Ni and the conductor is made of Cu.
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