JP2013089716A - Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device - Google Patents

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剛直 根本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device manufacturing method which inhibits formation of voids in Cu wiring by inhibiting concentration of electron holes in the Cu wiring, and inhibits an occurrence of wiring failure such as disconnection so-called stress migration at a via connection part and the like in two-layer wiring, for example.SOLUTION: A semiconductor device manufacturing method having a damascene wiring structure comprises performing a heat cycle process of heating a processed substrate and removing heat from the processed substrate after wiring formation.

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する。   The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device.

近年、半導体装置の配線は、低抵抗化および高信頼化を目的として、Cu配線が用いられている。Cu配線は、ドライエッチングによる形成が困難なため、配線を多層に形成したダマシン配線構造を有する。ダマシン配線構造は、層間絶縁膜上に形成された配線パターンの溝にCu膜を堆積させ、その後、溝以外に堆積させたCuをケミカルメカニカルポリッシング(以下、CMP法とも呼称する)によって除去する方法で作られる。   In recent years, Cu wiring is used for wiring of semiconductor devices for the purpose of lowering resistance and increasing reliability. Since Cu wiring is difficult to form by dry etching, it has a damascene wiring structure in which wiring is formed in multiple layers. The damascene wiring structure is a method in which a Cu film is deposited in a groove of a wiring pattern formed on an interlayer insulating film, and thereafter, Cu deposited other than the groove is removed by chemical mechanical polishing (hereinafter also referred to as CMP method). Made with.

ここで、Cu配線は、層間絶縁膜の内部に形成されている。そして、複数の層間絶縁膜は、積層されている。そのため、Cu配線の製造工程における熱処理での昇温・除温過程後には、各材料の熱膨張係数の違いによって生じる応力や層間絶縁膜の持つ圧縮応力の影響により、Cu配線には例えば数百MPaの引張応力が作用してしまう。この引張応力に起因するCu配線での応力集中によって、Cu配線中に応力勾配が生じる。応力はCu配線内に存在している空孔(原子空孔)移動の駆動力となる。これら空孔はCu配線内で集まってボイド(空洞)を形成し、ボイドが成長することでCu配線が断線し、いわゆるストレスマイグレーションと呼ばれる配線不良が生じてしまうといった問題があった。特に、ビア配線(層間配線)により接合された2層間配線系においては、上記応力集中がビア配線とCu配線との接合部近傍に集中してしまい、それら接合部において断線等の配線不良が生じやすいことが問題であった。そこで、半導体装置におけるCu配線やビア配線の配線不良を抑制することで、装置寿命を延命化させることが求められている。   Here, the Cu wiring is formed inside the interlayer insulating film. The plurality of interlayer insulating films are stacked. For this reason, after the temperature rising / de-heating process in the heat treatment in the Cu wiring manufacturing process, for example, several hundreds of Cu wiring is caused by the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient of each material and the compressive stress of the interlayer insulating film. The tensile stress of MPa will act. Due to the stress concentration in the Cu wiring due to the tensile stress, a stress gradient is generated in the Cu wiring. The stress becomes a driving force for moving vacancies (atomic vacancies) existing in the Cu wiring. These vacancies gather in the Cu wiring to form voids (cavities), and when the voids grow, the Cu wiring is disconnected, resulting in a wiring defect called so-called stress migration. In particular, in a two-layer wiring system joined by via wiring (interlayer wiring), the stress concentration is concentrated in the vicinity of the joint portion between the via wiring and the Cu wiring, and a wiring defect such as disconnection occurs in the joint portion. Easy was the problem. Therefore, it is required to extend the life of the device by suppressing the wiring defects of the Cu wiring and via wiring in the semiconductor device.

そこで、例えば特許文献1には、配線構造等の金属領域の表面を銀等の再結晶化温度の高い金属または温度−応力曲線におけるヒステリシス幅が狭い金属によって保護することで上記ストレスマイグレーションを抑制した半導体装置が開示されている。   Therefore, for example, in Patent Document 1, the stress migration is suppressed by protecting the surface of a metal region such as a wiring structure with a metal having a high recrystallization temperature such as silver or a metal having a narrow hysteresis width in a temperature-stress curve. A semiconductor device is disclosed.

特開2004−39916号公報JP 2004-39916 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の技術においては、ストレスマイグレーションの原因を、異種材料の熱膨張率の差に起因して発生する応力集中であるとし、その解決法として金属領域の表面を銀等で保護することとしているが、本発明者らは、ストレスマイグレーションの発生原因は応力集中に伴う空孔の移動であることを知見しており、この空孔の移動(即ち、空孔濃度)は、金属領域(配線構造)の銀等の金属による表面保護では制御することはできず、上記特許文献1に記載の技術では、十分にストレスマイグレーションの発生を抑制することができなかった。加えて、上記特許文献1に記載の技術では、金属領域(配線構造)の表面に銀等の膜を設ける工程を行っているため、当該膜の成膜工程が必要となるため、半導体装置の製造における工程数の増加やコスト増等が懸念されるといった問題点もあった。   However, in the technique described in Patent Document 1, the cause of stress migration is stress concentration that occurs due to the difference in thermal expansion coefficient between different materials, and the solution is to make the surface of the metal region silver or the like. The present inventors have found that the cause of stress migration is the movement of vacancies due to stress concentration, and the movement of vacancies (that is, the vacancy concentration) is The surface protection with a metal such as silver in the metal region (wiring structure) cannot be controlled, and the technique described in Patent Document 1 cannot sufficiently suppress the occurrence of stress migration. In addition, in the technique described in Patent Document 1, since a process of providing a film of silver or the like on the surface of the metal region (wiring structure) is performed, a film forming process of the film is necessary. There was also a problem that there were concerns about an increase in the number of processes in manufacturing and an increase in cost.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、Cu配線内における空孔の集中を抑制することでCu配線内でのボイドの形成を抑え、例えば2層間配線系におけるビア接続部等における、いわゆるストレスマイグレーションと呼ばれる断線等の配線不良の発生が抑制される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。   The present invention has been made in view of such points, and by suppressing the concentration of vacancies in the Cu wiring, the formation of voids in the Cu wiring is suppressed. For example, in a via connection portion in a two-layer wiring system, etc. An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device in which occurrence of wiring defects such as disconnection called so-called stress migration is suppressed.

前記目的を達成するため、本発明によれば、銅配線構造を有する半導体装置の製造方法において、加熱処理を含む銅配線層の形成後に被処理基板を加熱および除熱する熱サイクル工程を行う、半導体装置の製造方法が提供される。   In order to achieve the above object, according to the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device having a copper wiring structure, a thermal cycle step of heating and removing heat from the substrate to be processed after the formation of the copper wiring layer including heat treatment is performed. A method for manufacturing a semiconductor device is provided.

また、本発明によれば、ダマシン配線構造を有する半導体装置の製造方法において、配線形成完了後に半導体装置を加熱および除熱する熱サイクル工程を行う、半導体装置の製造方法が提供される。   In addition, according to the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device having a damascene wiring structure, in which a thermal cycle process for heating and removing the semiconductor device is performed after completion of wiring formation.

上記半導体装置の製造方法において、前記熱サイクル工程における加熱温度は100℃以上であってもよい。前記熱サイクル工程において、加熱後に2時間以内の均熱を行ってもよい。前記熱サイクル工程における除熱は、冷却速度100℃/h以上でもって行われてもよい。   In the semiconductor device manufacturing method, the heating temperature in the thermal cycle step may be 100 ° C. or higher. In the heat cycle step, soaking may be performed within 2 hours after heating. The heat removal in the heat cycle step may be performed at a cooling rate of 100 ° C./h or more.

さらに、別な観点からの本発明によれば、ダマシン配線構造を有する半導体装置であって、配線形成完了後に半導体装置を加熱、均熱および除熱する熱サイクルが施された、半導体装置が提供される。   Furthermore, according to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a damascene wiring structure, which is subjected to a thermal cycle for heating, soaking and removing heat after completion of wiring formation. Is done.

上記半導体装置において、前記熱サイクルにおける加熱温度は100℃以上であってもよい。前記熱サイクルにおいて、加熱後に2時間以内の均熱を行ってもよい。前記熱サイクルにおける除熱は、冷却速度100℃/h以上でもって行われてもよい。   In the semiconductor device, the heating temperature in the thermal cycle may be 100 ° C. or higher. In the thermal cycle, soaking may be performed within 2 hours after heating. The heat removal in the thermal cycle may be performed at a cooling rate of 100 ° C./h or more.

本発明によれば、Cu配線内における空孔の集中を抑制することでCu配線内でのボイドの形成を抑え、例えば2層間配線系におけるビア接続部等における、いわゆるストレスマイグレーションと呼ばれる断線等の配線不良の発生が抑制される半導体装置の製造方法および半導体装置が提供される。   According to the present invention, the formation of voids in the Cu wiring is suppressed by suppressing the concentration of vacancies in the Cu wiring. For example, a disconnection called so-called stress migration in a via connection portion in a two-layer wiring system, etc. A method of manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device in which the occurrence of wiring defects is suppressed are provided.

本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための基板の断面図であり、層間絶縁膜の表面に配線溝が形成された状態を示している。It is sectional drawing of the board | substrate for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device concerning embodiment of this invention, and has shown the state by which the wiring groove | channel was formed in the surface of an interlayer insulation film. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための基板の断面図であり、バリアメタル層とCuめっきシード層が層間絶縁膜上に連続して形成された状態を示している。It is sectional drawing of the board | substrate for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device concerning embodiment of this invention, and has shown the state by which the barrier metal layer and Cu plating seed layer were continuously formed on the interlayer insulation film . 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための基板の断面図であり、Cu導電層が基板の表面全体に形成された状態を示している。It is sectional drawing of the board | substrate for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device concerning embodiment of this invention, and has shown the state in which Cu conductive layer was formed in the whole surface of a board | substrate. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための基板の断面図であり、層間絶縁膜の上方からCu導電層とバリアメタル層が除去された状態を示している。It is sectional drawing of the board | substrate for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device concerning embodiment of this invention, and has shown the state from which the Cu conductive layer and the barrier metal layer were removed from the upper direction of an interlayer insulation film. 本発明の実施の形態にかかる2層構造の半導体装置の製造工程を説明するための基板の断面図であり、層間絶縁膜の表面に配線溝が形成された状態を示している。It is sectional drawing of the board | substrate for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device of the 2 layer structure concerning embodiment of this invention, and has shown the state by which the wiring groove | channel was formed in the surface of an interlayer insulation film. 本発明の実施の形態にかかる2層構造の半導体装置の製造工程を説明するための基板の断面図であり、バリアメタル層とCuめっきシード層が層間絶縁膜上に連続して形成された状態を示している。It is sectional drawing of the board | substrate for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device of the two-layer structure concerning embodiment of this invention, and the state by which the barrier metal layer and Cu plating seed layer were continuously formed on the interlayer insulation film Is shown. 本発明の実施の形態にかかる2層構造の半導体装置の製造工程を説明するための基板の断面図であり、Cu導電層が基板の表面全体に形成された状態を示している。It is sectional drawing of the board | substrate for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device of the 2 layer structure concerning embodiment of this invention, and has shown the state in which the Cu conductive layer was formed in the whole surface of the board | substrate. 本発明の実施の形態にかかる2層構造の半導体装置の製造工程を説明するための基板の断面図であり、層間絶縁膜の上方からCu導電層が除去された状態を示している。It is sectional drawing of the board | substrate for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device of the 2 layer structure concerning embodiment of this invention, and has shown the state from which the Cu conductive layer was removed from the upper direction of an interlayer insulation film. 配線形成処理やその他の半導体装置に熱を負荷するあるいは除熱するような処理工程が終了した半導体装置に対し熱サイクル工程を行う際の条件を示すグラフである。It is a graph which shows the conditions at the time of performing a thermal cycle process with respect to the semiconductor device which the wiring formation process and the process process of loading or removing heat to other semiconductor devices were completed. 図9に示す条件でもって熱サイクル工程を行った場合のビア接合部における空孔濃度の経時変化を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the change over time in the vacancy concentration in the via junction when the thermal cycle process is performed under the conditions shown in FIG. 9. 熱サイクル工程を行っていない場合のビア接合部における1000時間後の空孔濃度分布(a)と、ΔTを200℃として熱サイクル工程を行った場合のビア接合部における1000時間後の空孔濃度分布(b)を示す測定データである。Vacancy concentration distribution (a) after 1000 hours at the via junction when the thermal cycle process is not performed and vacancy concentration after 1000 hours at the via junction when ΔT is set to 200 ° C. It is measurement data which shows distribution (b). 空孔濃度の凝縮と解放が起こるための熱疲労温度ΔTを特定するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフであり、熱疲労負荷条件を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the simulation performed in order to identify thermal fatigue temperature (DELTA) T for condensation and release of a void | hole density | concentration, and is a graph which shows thermal fatigue load conditions. 図12に示す条件における、空孔濃度の経時変化を示すものである。FIG. 13 shows changes with time in the pore concentration under the conditions shown in FIG. 熱サイクル工程において、均熱時間を変化させる場合の熱サイクル工程の条件を示すグラフである。It is a graph which shows the conditions of the heat cycle process in the case of changing soaking time in a heat cycle process. 図14に示す条件でもって熱サイクル工程を行った場合のビア接合部における空孔濃度の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows a time-dependent change of the void | hole density | concentration in a via junction part at the time of performing a heat cycle process on the conditions shown in FIG. 熱サイクル工程において、除熱時間を変化させる場合の熱サイクル工程の条件を示すグラフである。It is a graph which shows the conditions of the heat cycle process in the case of changing heat removal time in a heat cycle process. 図16に示す条件でもって熱サイクル工程を行った場合のビア接合部における空孔濃度の経時変化を示すグラフである。FIG. 17 is a graph showing the change over time in the vacancy concentration at the via junction when the thermal cycle process is performed under the conditions shown in FIG. 16.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present specification and drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1〜図4は、Cu配線構造の製造工程を示す説明図である。即ち、Si等からなる半導体の被処理基板Wにおいて、基板本体1の上面にCu配線が形成される過程を図示している。基板本体1は、図示しないCMOS等の任意の構造を備える。また、図5〜8はCu配線が2層構造である半導体装置Aの製造工程を示す説明図であり、特に図8は本発明の実施の形態にかかる半導体装置Aを示している。 1 to 4 are explanatory views showing the manufacturing process of the Cu wiring structure. That is, a process of forming a Cu wiring on the upper surface of the substrate body 1 in the semiconductor substrate W made of Si or the like is illustrated. The substrate body 1 has an arbitrary structure such as a CMOS (not shown). 5 to 8 are explanatory views showing the manufacturing process of the semiconductor device A in which the Cu wiring has a two-layer structure. In particular, FIG. 8 shows the semiconductor device A according to the embodiment of the present invention.

先ず、図1に示すように、例えば層間絶縁膜2が基板本体1の上に形成される。層間絶縁膜2としては、SiOやSiCO等のSiを含む膜や、炭素とフッ素を含むCFx等の低比誘電率膜が挙げられる。続いて、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチング(RIE)により、層間絶縁膜2の表面に配線溝4が形成される。 First, as shown in FIG. 1, for example, an interlayer insulating film 2 is formed on the substrate body 1. Examples of the interlayer insulating film 2 include a film containing Si such as SiO 2 and SiCO, and a low relative dielectric constant film such as CFx containing carbon and fluorine. Subsequently, a wiring groove 4 is formed on the surface of the interlayer insulating film 2 by photolithography and reactive ion etching (RIE).

次に、図2に示すように、配線溝4の内面を被覆するように、バリアメタル(以下、BMと呼称する)膜5とCuめっきシード層7が層間絶縁膜2上に連続して形成される。BM膜5は、層間絶縁膜2の全面にTa膜をスパッタリングして形成される。BM膜5は、Ta膜、TaN膜、Ta化合物膜またはTa合金膜の単層膜、Ti膜、TiN膜、Ti化合物膜またはTi合金膜の単層膜やこれらの2種以上の積層膜である。また、Cuめっきシード層7は、例えばスパッタリングにより形成される。   Next, as shown in FIG. 2, a barrier metal (hereinafter referred to as BM) film 5 and a Cu plating seed layer 7 are continuously formed on the interlayer insulating film 2 so as to cover the inner surface of the wiring groove 4. Is done. The BM film 5 is formed by sputtering a Ta film over the entire surface of the interlayer insulating film 2. The BM film 5 is a single layer film of Ta film, TaN film, Ta compound film or Ta alloy film, single layer film of Ti film, TiN film, Ti compound film or Ti alloy film, or a laminated film of two or more of these. is there. The Cu plating seed layer 7 is formed by sputtering, for example.

次に、図3に示すように、Cu導電層10が、Cuめっきシード層7の上から配線溝4を埋め込むように、基板Wの表面全体に形成される。Cu導電層10は、純Cuに限らずCu合金であってもよく、電解めっき等で形成される。なお、Cu導電層10の形成により、Cuめっきシード層7は、Cu導電層10に一体化される。 Next, as shown in FIG. 3, the Cu conductive layer 10 is formed on the entire surface of the substrate W so as to fill the wiring groove 4 from above the Cu plating seed layer 7. The Cu conductive layer 10 is not limited to pure Cu but may be a Cu alloy, and is formed by electrolytic plating or the like. The Cu plating seed layer 7 is integrated with the Cu conductive layer 10 by forming the Cu conductive layer 10.

次に、図4に示すように、配線溝4の内部にあるCu導電層10とBM膜5の部分を残して、層間絶縁膜2の上方からCu導電層10とBM膜5がCMP(化学的機械的研磨)法により除去される。こうして、配線溝4の内部にBM膜5で囲まれた状態でCu配線15(Cu導電層10)が形成され、ダマシン配線構造を有するCu配線構造18が製造される。 Next, as shown in FIG. 4, the Cu conductive layer 10 and the BM film 5 are formed by CMP (chemical reaction) from above the interlayer insulating film 2 while leaving the portions of the Cu conductive layer 10 and the BM film 5 inside the wiring trench 4. Mechanical polishing). Thus, the Cu wiring 15 (Cu conductive layer 10) is formed in the wiring groove 4 surrounded by the BM film 5, and the Cu wiring structure 18 having the damascene wiring structure is manufactured.

図1〜図4に示すように製造されたCu配線構造18は、半導体装置A内に複数配置され、しばしば2層間接続される。そこで、以下には図5〜図8を参照して、2層に配置されたCu配線構造18(以下では第1層18aと第2層18bとする)がビア接続された構成である半導体装置Aの製造工程を説明する。なお、図5〜図8において上記図1〜図4に記載されたものと同一の構成要素については同一の符号を付する。 A plurality of Cu wiring structures 18 manufactured as shown in FIGS. 1 to 4 are arranged in the semiconductor device A and are often connected between two layers. Therefore, referring to FIGS. 5 to 8, a semiconductor device having a structure in which a Cu wiring structure 18 (hereinafter, referred to as a first layer 18 a and a second layer 18 b) arranged in two layers is via-connected. A manufacturing process of A will be described. 5-8, the same code | symbol is attached | subjected about the component same as what was described in the said FIGS. 1-4.

先ず、図5に示すように、例えば図1〜4を参照して上述した方法によってCu配線構造18(第1層18a)を作成し、その上面に任意の方法にて配線孔と配線溝4が設けられた層間絶縁膜2を形成する。次いで、図6に示すように、上記図2と同様に配線溝4の内面を被覆するようにBM膜5及びCuめっきシード層7が連続して形成される。 First, as shown in FIG. 5, for example, a Cu wiring structure 18 (first layer 18 a) is formed by the method described above with reference to FIGS. 1 to 4, and wiring holes and wiring grooves 4 are formed on the upper surface by an arbitrary method. An interlayer insulating film 2 provided with is formed. Next, as shown in FIG. 6, the BM film 5 and the Cu plating seed layer 7 are continuously formed so as to cover the inner surface of the wiring groove 4 as in FIG.

そして、図7に示すように、Cu導電層10が、Cuめっきシード層7の上から配線溝4を埋め込むように、形成される。このCu導電層10が埋め込まれた状態で膜の安定化を図るためのアニール処理や後述する本願発明に係る熱サイクル処理が行われ、その後、図8に示すように配線溝4の内部にあるCu導電層10とBM膜5を残して、配線溝4の上部に露出するCu導電層10とBM膜5がCMP法により除去され、Cu配線構造18(第2層18b)が形成される。こうしていわゆるデュアルダマシン構造と呼ばれるCu配線構造が2層間接続された半導体装置Aが製造される。なお、この半導体装置Aにおける第1層18aと第2層18bを接続する接続配線がビア配線20と呼称される配線である。 Then, as shown in FIG. 7, the Cu conductive layer 10 is formed so as to fill the wiring groove 4 from above the Cu plating seed layer 7. An annealing process for stabilizing the film and a thermal cycle process according to the present invention, which will be described later, are performed in a state where the Cu conductive layer 10 is buried, and thereafter, inside the wiring groove 4 as shown in FIG. The Cu conductive layer 10 and the BM film 5 exposed on the upper part of the wiring groove 4 are removed by the CMP method while leaving the Cu conductive layer 10 and the BM film 5, and a Cu wiring structure 18 (second layer 18b) is formed. Thus, a semiconductor device A in which a Cu wiring structure called a so-called dual damascene structure is connected between two layers is manufactured. Note that the connection wiring that connects the first layer 18 a and the second layer 18 b in the semiconductor device A is a wiring called a via wiring 20.

図5〜図8に示した半導体装置AにおけるCu配線構造18の形成においては、Cu導電層の安定化のための熱処理工程が行われるため、その過程において昇温、降温が行われる。この昇温、降温によって異種材料の熱膨張差により、各材料同士の界面において熱応力が発生し、結果としてCu配線15内部には残留応力が生じた状態となる。また、上述したように、フォトリソグラフィ、反応性イオンエッチング(RIE)およびスパッタリング等の工程においても、その過程においても昇温、降温が行われる。 In the formation of the Cu wiring structure 18 in the semiconductor device A shown in FIGS. 5 to 8, a heat treatment process for stabilizing the Cu conductive layer is performed, so that the temperature is raised and lowered in the process. Due to the difference in thermal expansion between different materials due to the temperature rise and fall, thermal stress is generated at the interface between the materials, and as a result, residual stress is generated inside the Cu wiring 15. Further, as described above, the temperature is increased and decreased in the processes such as photolithography, reactive ion etching (RIE), and sputtering.

Cu配線15の内部には、不可避的に原子レベルの大きさである空孔が存在している。そこで、例えば図8に示すようなビア接続された構成である半導体装置Aにおいては、Cu配線15の内部に生じた残留応力がビア配線20近傍に作用した場合に、構造に起因してビア配線20近傍(特にビア配線20と第1層18a内のCu配線15との接合部20a)に応力の集中が生じてしまう。この応力集中に伴い、Cu配線内に散在する空孔がビア配線20近傍に集中し、ボイド(空洞)がCu配線15内部に形成されてしまう。このCu配線15内におけるボイドの形成により、電気抵抗の増加や断線等の配線不良が生じ、装置の故障が誘発される。 There are unavoidably vacancies at the atomic level inside the Cu wiring 15. Therefore, for example, in the semiconductor device A having a via connection structure as shown in FIG. 8, when the residual stress generated in the Cu wiring 15 acts in the vicinity of the via wiring 20, the via wiring is caused by the structure. Stress concentration occurs in the vicinity of 20 (particularly, the joint portion 20a between the via wiring 20 and the Cu wiring 15 in the first layer 18a). Along with this stress concentration, vacancies scattered in the Cu wiring are concentrated in the vicinity of the via wiring 20, and voids (cavities) are formed inside the Cu wiring 15. The formation of voids in the Cu wiring 15 causes wiring failures such as an increase in electrical resistance and disconnection, and induces device failure.

また、Cu配線15の内部に残留応力が生じてしまった状態で半導体装置が製品化された場合、当該装置の使用や時間経過と共に応力集中によって内部の空孔が集中し、ボイドが形成される恐れもある。これにより、装置寿命が短命化してしまうといったことが懸念される。 Further, when a semiconductor device is commercialized in a state where residual stress has been generated inside the Cu wiring 15, internal voids are concentrated due to stress concentration with the use of the device and the passage of time, and voids are formed. There is also a fear. As a result, there is a concern that the life of the apparatus will be shortened.

そこで、本発明者らは、配線形成処理やその他シンタリング処理、アニール処理等の半導体装置に熱を負荷するあるいは除熱するような処理工程が終了した後に、該半導体装置(即ち、被処理基板W)に対して熱サイクル工程(少なくとも加熱ステップ、および除熱ステップからなる熱サイクル、好ましくは、均熱ステップを含む)を行うことでCu配線構造18やビア配線20(特にCu配線とビア配線の接合部)内における応力集中を抑制させることが可能となり、その結果、半導体装置内における空孔の集中(空孔凝集)が抑えられることを知見した。以下に、本知見について説明する。 Accordingly, the present inventors have completed the semiconductor device (that is, the substrate to be processed) after the completion of the processing steps such as wiring formation processing, other sintering processing, annealing processing, etc., for applying or removing heat to the semiconductor device. Cu wiring structure 18 and via wiring 20 (especially Cu wiring and via wiring) by performing a thermal cycle process (at least a heating step and a heat removal step, preferably including a soaking step) on W). It has been found that the stress concentration in the bonding portion) can be suppressed, and as a result, the concentration of holes (aggregation of holes) in the semiconductor device can be suppressed. This knowledge will be described below.

図9は、配線形成処理やその他シンタリング処理、アニール処理等の半導体装置に熱を負荷するあるいは除熱するような処理工程が終了した半導体装置に対し熱サイクル工程を行う際の条件を示すグラフである。なお、図9に示す条件では、360℃の熱を付加する熱処理工程の後、加熱および除熱のみを1時間(図9中0.5hr〜1.5hr)行い、その時の熱疲労温度ΔT(加熱および除熱する温度)を50℃、100℃、150℃、200℃と変化させて熱サイクル工程を行っている。なお、実際の処理温度は、熱疲労温度ΔTに熱サイクル工程前もちくは、熱サイクル工程後の温度を加えることにより、実際の処理温度を求めることができる。熱サイクル工程前後の温度は例えば室温であり、図9においては20℃である。 FIG. 9 is a graph showing conditions for performing a thermal cycle process on a semiconductor device that has been subjected to a process such as wiring formation process, other sintering process, annealing process, etc., in which heat is applied to or removed from the semiconductor apparatus. It is. 9, after the heat treatment step of applying heat at 360 ° C., only heating and heat removal are performed for 1 hour (0.5 hr to 1.5 hr in FIG. 9), and the thermal fatigue temperature ΔT ( The heat cycle process is performed by changing the temperature of heating and heat removal to 50 ° C., 100 ° C., 150 ° C., and 200 ° C. The actual processing temperature can be obtained by adding the temperature before the heat cycle step or the temperature after the heat cycle step to the thermal fatigue temperature ΔT. The temperature before and after the heat cycle step is, for example, room temperature, and is 20 ° C. in FIG.

また、図10は、図9に示す条件でもって熱サイクル工程を行った場合のCu配線とビア配線の接合部近傍(以下ビア接合部とも呼称する)における空孔濃度の経時変化のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図10には熱サイクル工程を行っていない場合(ΔT=0℃)のビア接合部における空孔濃度の経時変化も図示している。   FIG. 10 shows a simulation result of the change in the vacancy concentration with time in the vicinity of the joint between the Cu wiring and the via wiring (hereinafter also referred to as via junction) when the thermal cycle process is performed under the conditions shown in FIG. It is a graph to show. FIG. 10 also shows the change over time in the vacancy concentration at the via junction when the thermal cycle process is not performed (ΔT = 0 ° C.).

図9、図10に示すように、ΔTを50℃、100℃、150℃、200℃とした場合の1時間後のビア接合部における空孔濃度は、熱サイクル工程を行わない場合に比べ、増加している。一方、ΔTを100℃、150℃、200℃とした場合の1000時間後のビア接合部における空孔濃度は、熱サイクル工程を行わない場合に比べ、減少している。即ち、ΔTを100℃、150℃および200℃として熱サイクル工程を行った半導体装置においては、空孔濃度は増加するものの、その後に空孔の集中(空孔凝集)する速度が遅くなる。結果として、長時間経過後のビア接合部における空孔濃度が、熱サイクルを行っていない半導体装置に比べ低いものとなっていることが知見される。また、図10に示されるように、ビア接合部における空孔濃度の経時変化を効果的に抑制するためには、熱サイクル工程を行う場合の好適な加熱温度は150℃以上であることが分かる。   As shown in FIGS. 9 and 10, the vacancy concentration in the via junction after 1 hour when ΔT is 50 ° C., 100 ° C., 150 ° C., and 200 ° C. is compared to the case where the thermal cycle process is not performed. It has increased. On the other hand, when ΔT is 100 ° C., 150 ° C., and 200 ° C., the void concentration in the via junction after 1000 hours is reduced as compared with the case where the thermal cycle process is not performed. That is, in a semiconductor device that has been subjected to a thermal cycle process with ΔT set to 100 ° C., 150 ° C., and 200 ° C., the vacancy concentration increases, but the rate of subsequent vacancy concentration (vacancy aggregation) slows down. As a result, it is found that the vacancy concentration in the via junction after a long time is lower than that of a semiconductor device that is not subjected to thermal cycling. Also, as shown in FIG. 10, it can be seen that the preferred heating temperature when performing the thermal cycling step is 150 ° C. or higher in order to effectively suppress the aging of the vacancy concentration at the via junction. .

また、図11は、熱サイクル工程を行っていない場合のビア接合部における1000時間後の空孔濃度分布(a)と、ΔTを200℃として熱サイクル工程を行った場合のビア接合部における1000時間後の空孔濃度分布(b)を示すシミュレーション結果である。図11に示される結果からも、熱サイクルを行った半導体装置での長時間経過後のビア接合部における空孔濃度が、熱サイクルを行っていない半導体装置に比べ低いものとなっていることが分かる。   Further, FIG. 11 shows the vacancy concentration distribution (a) after 1000 hours in the via junction when the thermal cycle process is not performed and 1000 in the via junction when ΔT is 200 ° C. and the thermal cycle process is performed. It is a simulation result which shows the void | hole density | concentration distribution (b) after time. Also from the result shown in FIG. 11, the vacancy concentration in the via junction after a long time elapses in the semiconductor device subjected to the thermal cycle is lower than that in the semiconductor device not subjected to the thermal cycle. I understand.

一方、図12および図13は、空孔濃度の凝縮と解放が起こるための熱疲労温度ΔTを特定するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフであり、図12には熱疲労負荷条件を示し、図13にはΔTを50℃、100℃、150℃、200℃とし、その温度を一定に保った場合(即ち、図12に示す条件の場合)のビア接合部(角部)での空孔濃度の経時変化を示している。なお、図13には加熱ステップを行っていない場合(ΔT=0℃)のビア接合部における空孔濃度の経時変化も図示している。   On the other hand, FIG. 12 and FIG. 13 are graphs showing the results of simulations performed to identify the thermal fatigue temperature ΔT for causing the condensation and release of the vacancy concentration, and FIG. 12 shows the thermal fatigue load conditions. In FIG. 13, ΔT is set to 50 ° C., 100 ° C., 150 ° C., and 200 ° C., and when the temperature is kept constant (that is, in the case of the condition shown in FIG. 12), the vacancy at the via junction (corner portion) is obtained. The change with time of the pore concentration is shown. FIG. 13 also shows the change over time in the vacancy concentration at the via junction when the heating step is not performed (ΔT = 0 ° C.).

図13に示すように、ΔTが100℃、150℃、200℃の場合には、加熱ステップによる空孔濃度の上昇と低下が起こっていることが分かる。つまり、空孔濃度の凝縮と解放が起こっている。一方、ΔTが50℃の場合には、加熱ステップによる空孔濃度の上昇と低下、つまり、空孔濃度の凝縮と解放は起こらない。従って、空孔濃度の凝縮と解放を起こすことで、ビア接合部における空孔濃度を低下させることが可能な熱疲労温度ΔT(熱サイクル工程における加熱温度)は100℃以上であることが分かる。 As shown in FIG. 13, when ΔT is 100 ° C., 150 ° C., and 200 ° C., it can be seen that the increase and decrease in the vacancy concentration due to the heating step occur. That is, the condensation and release of the vacancy concentration occurs. On the other hand, when ΔT is 50 ° C., the increase and decrease of the vacancy concentration due to the heating step, that is, the condensation and release of the vacancy concentration does not occur. Therefore, it can be seen that the thermal fatigue temperature ΔT (heating temperature in the thermal cycle process) that can lower the vacancy concentration at the via junction by causing the condensation and release of the vacancy concentration is 100 ° C. or higher.

一方、図14は加熱ステップ、均熱ステップ、除熱ステップからなる熱サイクル工程を半導体装置に熱を負荷するあるいは除熱するような処理工程が終了した半導体装置に対し行う際の条件を示すグラフであり、図15は図14に示す条件でもって熱サイクル工程を行った場合のビア接合部における空孔濃度の経時変化のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図14に示す熱サイクル工程の条件としては、熱疲労温度ΔTを200℃とし、均熱時間tを0hr、0.5hr、2hr、∞(無限大)と変化させている。なお、tが0hrの場合は、均熱時間が0hrであるため、上記図9に示すΔTが200℃の場合と同様のグラフとなっている。また、tが∞の場合は、均熱時間が∞であるため、上記図13に示すΔTが200℃の場合と同様のグラフとなっている。また、図15には熱サイクル工程を行っていない場合のビア接合部における空孔濃度の経時変化も図示している。ここでの加熱ステップは所定の温度(例えばΔTを100℃以上)に加熱し空孔凝縮を解放するものであり、均熱ステップは当該空孔凝縮の解放が終了するまでの時間を保持するものである。 On the other hand, FIG. 14 is a graph showing conditions when a heat cycle process including a heating step, a soaking step, and a heat removal step is performed on a semiconductor device that has been subjected to a treatment process that loads or removes heat from the semiconductor device. FIG. 15 is a graph showing a simulation result of a change with time in the vacancy concentration in the via junction when the thermal cycle process is performed under the conditions shown in FIG. As the conditions of the thermal cycle process shown in FIG. 14, the thermal fatigue temperature ΔT is 200 ° C., and the soaking time t 3 is changed to 0 hr, 0.5 hr, 2 hr, ∞ (infinity). In the case t 3 is 0Hr, for soaking time is 0Hr, has the same graph and if ΔT is 200 ° C. as shown in FIG 9. Also, t 3 is the case of ∞, because the soaking time is ∞, so has the same graph and if ΔT shown in FIG 13 is 200 ° C.. FIG. 15 also shows the change over time in the vacancy concentration at the via junction when the thermal cycle process is not performed. Here, the heating step is to release the condensation of holes by heating to a predetermined temperature (for example, ΔT is 100 ° C. or more), and the soaking step is to hold the time until the release of the condensation of holes is completed. It is.

図14、図15に示すように、半導体装置を200℃昇温させた状態で保持する時間(均熱時間)tが0hrの場合と、tが0.5hr、2hrの場合の空孔濃度の経時変化を比較すると、均熱時間tが0.5hr、2hrの場合の方が、よりビア接合部における空孔濃度が低く抑えられていることが知見される。また、図15に示すように、tが∞(無限大)の場合には、1時間後から100時間後の空孔濃度の経時変化が抑制されていない。従って、熱サイクル工程においては好適な均熱時間tが存在することが知見され、例えば好適な均熱時間tは図15のデータから0hr以上2hr以内である。また、処理時間は、スループットの観点からできるだけ短い方が良いため、好適な均熱時間tは、0hr以上0.5hr以内である。更には、除熱ステップにおける除熱時間が長いと、除熱時に空孔凝縮が起こってしまうため、除熱時間についても短いほうが良い。 As shown in FIG. 14 and FIG. 15, the holes when the semiconductor device is held at a temperature of 200 ° C. (soaking time) t 3 is 0 hr and when t 3 is 0.5 hr and 2 hr comparing the time course of concentration, soaking time t 3 is 0.5 hr, better in the case of 2 hr, the finding that the vacancy concentration is kept low in more via junction. As shown in FIG. 15, when t 3 is ∞ (infinite), the change with time in the vacancy concentration after 1 hour to 100 hours is not suppressed. Thus, in the thermal cycle process is finding that the preferred soaking time t 3 exists, for example, a suitable soaking time t 3 is within 2hr or more 0hr from the data in Figure 15. Moreover, processing time, because it is better as short as possible from the viewpoint of throughput, preferred soaking time t 3 is within 0.5hr least 0Hr. Furthermore, if the heat removal time in the heat removal step is long, vacancy condensation occurs during heat removal, so it is preferable that the heat removal time be short.

また、図16は加熱ステップ、均熱ステップ、除熱ステップからなる熱サイクル工程において、除熱時間を変化させる場合の熱サイクル工程の条件を示すグラフであり、図17は図16に示す条件でもって熱サイクル工程を行った場合のビア接合部における空孔濃度の経時変化のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図16に示す熱サイクル工程の条件としては、熱疲労温度ΔTを200℃、均熱時間tを0.5hrとし、除熱時間tを0.5hr、1hr、2hrと変化させている。なお、図11には熱サイクル工程を行っていない場合のビア接合部における空孔濃度の経時変化も図示している。 FIG. 16 is a graph showing the conditions of the heat cycle process when the heat removal time is changed in the heat cycle process including the heating step, the soaking step, and the heat removal step, and FIG. 17 is the condition shown in FIG. It is a graph which shows the simulation result of the time-dependent change of the void | hole density | concentration in a via junction part at the time of performing a heat cycle process. The conditions of the heat cycle step shown in FIG. 16 are as follows: the thermal fatigue temperature ΔT is 200 ° C., the soaking time t 3 is 0.5 hr, and the heat removal time t 4 is changed to 0.5 hr, 1 hr, 2 hr. Yes. Note that FIG. 11 also shows the change over time in the vacancy concentration at the via junction when the thermal cycle process is not performed.

図16、図17からは、200℃に加熱した半導体基板を除熱する時間(除熱時間)tが短いほどビア接合部における空孔濃度が低く抑えられていることが知見される。即ち、熱サイクル工程において除熱を行う場合には、その除熱時間tが短い、即ち除熱における冷却速度が速いほうが好ましいことが分かる。ここで、好ましい冷却速度としては、図17のデータから100℃/h以上である。 16, from FIG. 17, be vacancy concentration is kept low at 200 ° C. to heat the semiconductor substrate time to heat removal was (heat removal time) as t 4 is shorter via joints are finding. That is, when performing the heat removal in the heat cycling process, the short heat removal time t 4, i.e. more cooling rate is high it is preferable seen in heat removal. Here, the preferable cooling rate is 100 ° C./h or more from the data of FIG.

以上、図9〜図17に示すデータにより、配線形成処理やその他シンタリング処理、アニール処理等の半導体装置に熱を負荷するあるいは除熱するような処理工程が終了した半導体装置に対し熱サイクル工程を行うことで、Cu配線構造18やビア配線20(特にビア接合部)における空孔濃度の経時変化が抑制されることが知見される。また、熱サイクル工程において空孔濃度の経時変化が効率的に抑制される条件についても推察されることとなる。   As described above, with the data shown in FIGS. 9 to 17, the thermal cycle process is performed on the semiconductor device in which the process such as the wiring forming process, the other sintering process, the annealing process, etc. is performed to load or remove the heat from the semiconductor device. It is found that the aging changes in the vacancy concentration in the Cu wiring structure 18 and the via wiring 20 (particularly the via junction) are suppressed by performing the above. Moreover, it will be guessed about the conditions by which the time-dependent change of a void | hole density | concentration is efficiently suppressed in a heat cycle process.

また、上記データからは、空孔濃度は、半導体装置内の応力による空孔凝縮と空孔濃度勾配による拡散に関連していることが推察される。即ち、温度を上昇させると応力による空孔凝縮速度が上昇し空孔濃度が増加するが、空孔凝縮速度は極大値を有し、ある温度以上となると減少する。一方、空孔凝縮により空孔濃度勾配が大きくなると拡散速度が大きくなる。従って、応力による空孔凝縮速度の下降と空孔濃度勾配による拡散速度の上昇の影響で空孔濃度が減少し、空孔凝縮の解放が生じたことで、配線内における空孔の集中が抑制されることとなる。   From the above data, it is presumed that the vacancy concentration is related to vacancy condensation due to stress in the semiconductor device and diffusion due to the vacancy concentration gradient. That is, when the temperature is increased, the vacancy condensation rate due to stress increases and the vacancy concentration increases, but the vacancy condensation rate has a maximum value and decreases when the temperature exceeds a certain temperature. On the other hand, the diffusion rate increases as the hole concentration gradient increases due to hole condensation. Therefore, the concentration of vacancies in the wiring is suppressed by reducing the vacancy concentration due to the decrease in the vacancy condensation rate due to stress and the increase in the diffusion rate due to the vacancy concentration gradient, thereby releasing the vacancy condensation. Will be.

上記知見からわかるように、半導体装置製造工程において好適な条件でもって熱サイクル工程を行うことで、いわゆるボイドと呼ばれる空孔の集合体(空洞)がCu配線内に生じるのを抑えることが可能となり、Cu配線におけるいわゆるストレスマイグレーションと呼ばれる断線等の配線不良の発生が抑制される。さらには、半導体装置製造工程において好適な条件でもって熱サイクル工程を行うことで、製品化後の長期間に渡ってCu配線構造やビア接合部での空孔濃度の上昇が抑えられるため、半導体装置の装置寿命を延命化させることが可能となる。 As can be seen from the above knowledge, by performing the thermal cycle process under suitable conditions in the semiconductor device manufacturing process, it becomes possible to suppress the generation of void aggregates (cavities) called voids in the Cu wiring. In addition, the occurrence of wiring defects such as disconnection called so-called stress migration in the Cu wiring is suppressed. Furthermore, by performing the thermal cycle process under suitable conditions in the semiconductor device manufacturing process, it is possible to suppress an increase in the vacancy concentration in the Cu wiring structure and via junction over a long period after commercialization. It is possible to extend the life of the device.

以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although an example of embodiment of this invention was demonstrated, this invention is not limited to the form of illustration. It is obvious for those skilled in the art that various modifications or modifications can be conceived within the scope of the idea described in the claims, and these naturally belong to the technical scope of the present invention. It is understood.

例えば、上記実施の形態では、半導体装置A内のCu配線構造としてダマシン配線構造、特にデュアルダマシン配線構造を例示し説明したが、本発明にかかる熱サイクル工程を行う製造方法はこれらの配線構造以外の一般的なCu配線構造についても適用可能である。   For example, in the above embodiment, a damascene wiring structure, particularly a dual damascene wiring structure, has been exemplified and described as the Cu wiring structure in the semiconductor device A. However, the manufacturing method for performing the thermal cycling process according to the present invention is not limited to these wiring structures. The present invention is also applicable to the general Cu wiring structure.

本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に適用できる。   The present invention can be applied to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device.

1…基板本体
2…層間絶縁膜
4…配線溝
5…バリアメタル(BM)層
7…Cuめっきシード層
10…Cu導電層
15…Cu配線
18…Cu配線構造
18a…第1層
18b…第2層
20…ビア配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate body 2 ... Interlayer insulating film 4 ... Wiring groove 5 ... Barrier metal (BM) layer 7 ... Cu plating seed layer 10 ... Cu conductive layer 15 ... Cu wiring 18 ... Cu wiring structure 18a ... First layer 18b ... Second Layer 20: Via wiring

Claims (12)

銅配線構造を有する半導体装置の製造方法において、
加熱処理を含む銅配線層の形成後に被処理基板を加熱および除熱する熱サイクル工程を行う、半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device having a copper wiring structure,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising performing a thermal cycle process of heating and removing a substrate to be processed after formation of a copper wiring layer including heat treatment.
前記熱サイクル工程における加熱温度は100℃以上である、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a heating temperature in the thermal cycle step is 100 ° C. or higher. 前記熱サイクル工程において、加熱後に2時間以内の均熱を行う、請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the heat cycle step, soaking is performed within 2 hours after heating. 前記熱サイクル工程における除熱は、冷却速度100℃/h以上でもって行われる、請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the heat removal in the thermal cycle step is performed at a cooling rate of 100 ° C./h or more. ダマシン配線構造を有する半導体装置の製造方法において、
配線形成後に被処理基板を加熱および除熱する熱サイクル工程を行う、半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device having a damascene wiring structure,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising performing a thermal cycle step of heating and removing a substrate to be processed after wiring formation.
前記熱サイクル工程における加熱温度は100℃以上である、請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein a heating temperature in the thermal cycle process is 100 ° C. or higher. 前記熱サイクル工程において、加熱後に2時間以内の均熱を行う、請求項5または6に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein in the heat cycle step, soaking is performed within 2 hours after heating. 前記熱サイクル工程における除熱は、冷却速度100℃/h以上でもって行われる、請求項5〜7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the heat removal in the thermal cycle step is performed at a cooling rate of 100 ° C./h or more. ダマシン配線構造を有する半導体装置であって、
配線形成後に被処理基板を加熱および除熱する熱サイクルが施された、半導体装置。
A semiconductor device having a damascene wiring structure,
A semiconductor device subjected to a thermal cycle for heating and removing a substrate to be processed after wiring formation.
前記熱サイクルにおける加熱温度は100℃以上である、請求項9に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9, wherein a heating temperature in the thermal cycle is 100 ° C. or higher. 前記熱サイクルにおいて、加熱後に2時間以内の均熱を行う、請求項9または10に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9 or 10, wherein soaking is performed within 2 hours after heating in the thermal cycle. 前記熱サイクルにおける除熱は、冷却速度100℃/h以上でもって行われる、請求項9〜11に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9, wherein the heat removal in the thermal cycle is performed at a cooling rate of 100 ° C./h or more.
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