JP3504175B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
特に配線構造が積層配線構造からなる半導体装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device,
In particular, the present invention relates to a semiconductor device whose wiring structure is a laminated wiring structure.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年の半導体装置の高集積化、高速化に
伴い、従来のアルミニウム(Al)配線に比べて低い電気抵
抗を持つ銅(Cu)配線が導入されつつある。しかし、銅(C
u)原子が拡散してシリコン(Si)基板や絶縁膜に入り込む
とデバイス特性を劣化させる恐れがあり、銅(Cu)原子の
拡散を防ぐための拡散防止膜が銅(Cu)膜に隣接して形成
されている。この拡散防止膜の材料として,日経マイク
ロデバイス(1992年6月号74〜77ページ)に記載されてい
るように窒化チタン(TiN)膜、タングステン(W)膜、タン
タル(Ta)膜などの高融点金属膜が検討されている。2. Description of the Related Art With the recent increase in integration and speed of semiconductor devices, copper (Cu) wiring having a lower electric resistance than that of conventional aluminum (Al) wiring is being introduced. However, copper (C
u) Diffusion of atoms into the silicon (Si) substrate or insulating film may deteriorate the device characteristics.Therefore, a diffusion prevention film to prevent diffusion of copper (Cu) atoms is adjacent to the copper (Cu) film. Is formed. As a material for this diffusion prevention film, as described in Nikkei Microdevices (June 1992 issue, pages 74 to 77), titanium nitride (TiN) film, tungsten (W) film, tantalum (Ta) film, etc. Melting point metal films are being investigated.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】高集積化のために微細
化された半導体装置には高密度の電流が流れるため,電
子の流れとそれによって発生した熱によって原子が拡散
し、ボイドや断線が発生するといういわゆるエレクトロ
マイグレーションの問題がある。銅(Cu)膜は、アルミニ
ウム(Al)膜に比べて融点が高いために拡散を起こしにく
く、エレクトロマイグレーション耐性が優れていること
が期待される。しかし、拡散防止膜として窒化チタン(T
iN)膜、タングステン(W)膜、タンタル(Ta)膜などを銅(C
u)膜に接触させた積層配線構造では十分なエレクトロマ
イグレーション耐性が得らず、ボイドや断線が発生しや
すいという問題がある。本発明の目的は、積層配線構造
にボイドや断線の生じにくい、信頼性の高い半導体装置
を提供することにある。Since a high-density current flows in a semiconductor device which is miniaturized for high integration, atoms are diffused by the flow of electrons and heat generated thereby, so that voids and disconnections are generated. There is a so-called electromigration problem that occurs. Since the copper (Cu) film has a higher melting point than the aluminum (Al) film, it is less likely to diffuse and is expected to have excellent electromigration resistance. However, titanium nitride (T
iN) film, tungsten (W) film, tantalum (Ta) film, etc.
u) In the laminated wiring structure in contact with the film, sufficient electromigration resistance cannot be obtained, and there is a problem that voids and disconnections are likely to occur. An object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device in which voids and disconnections are unlikely to occur in the laminated wiring structure.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】発明者らは、拡散防止膜
として窒化チタン(TiN)膜、タングステン(W)膜、タンタ
ル(Ta)膜などを銅(Cu)膜に接触させた積層配線構造にお
いては,拡散防止膜材料と銅(Cu)の単位結晶格子の辺の
長さが大きく異なるために界面の原子配列に乱れが生
じ、拡散が活発になるためにボイドや断線が生じやすい
こと明らかにした。したがって、銅(Cu)配線のボイドや
断線を防止するためには、銅(Cu)と単位結晶格子の辺の
長さの差が小さい材料を隣接した膜に用いることにより
拡散を抑制すれば良い。発明者らは、導電性膜と該導電
性膜に接触して隣接膜が積層された積層配線構造におい
て、前記導電性膜の自由エネルギー最小面を構成する長
方格子の短辺apと前記隣接膜の自由エネルギー最小面を
構成する長方格子の短辺anの差{|ap-an|/ap}×100=A
(%)が13%未満であり,なおかつ前記導電性膜の自由
エネルギー最小面を構成する長方格子の長辺bpと前記隣
接膜の自由エネルギー最小面を構成する長方格子の長辺
bnの差{|bp-bn|/bp}×100=B(%)に(ap/bp)を乗じ
た量が13未満である場合に導電性膜の拡散が抑えられ、
ボイドや断線が抑制されることを明らかにした。また、
特にA、Bが{A+B×(ap/bp)}<13なる不等式を満足する場
合により好ましいことを明らかにした。上記において、
長方格子の短辺aと長辺bの定義は図6に示すものであ
る。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have proposed a laminated wiring structure in which a titanium nitride (TiN) film, a tungsten (W) film, a tantalum (Ta) film, etc. are brought into contact with a copper (Cu) film as a diffusion prevention film. In Fig. 2, the diffusion barrier film material and the edge length of the unit crystal lattice of copper (Cu) are significantly different, which disturbs the atomic arrangement at the interface, and it is easy to cause voids and disconnections due to active diffusion. I chose Therefore, in order to prevent voids and disconnection of the copper (Cu) wiring, it is only necessary to suppress diffusion by using a material having a small difference in length between the sides of the unit crystal lattice with copper (Cu) for adjacent films. . The inventors of the present invention, in a laminated wiring structure in which a conductive film and an adjacent film are stacked in contact with the conductive film, the short side a p of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the conductive film and the aforesaid The difference between the short sides a n of the rectangular lattice that constitutes the minimum free energy surface of the adjacent film {| a p -a n | / a p } × 100 = A
(%) Is less than 13%, and the long side b p of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the conductive film and the long side of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the adjacent film
The difference in b n {| b p -b n | / b p } × 100 = B (%) multiplied by (a p / b p ), the diffusion of the conductive film is suppressed when the amount is less than 13. ,
It has been clarified that voids and disconnections are suppressed. Also,
In particular, it was clarified that A and B are more preferable when they satisfy the inequality of {A + B × (a p / b p )} <13. In the above,
The definition of the short side a and the long side b of the rectangular lattice is shown in FIG.
【0005】したがって、上記の目的は、半導体基板上
に導電性膜と該導電性膜に接触して隣接膜が積層された
積層配線構造を有する半導体装置において、前記導電性
膜の自由エネルギー最小面を構成する長方格子の短辺ap
と前記隣接膜の自由エネルギー最小面を構成する長方格
子の短辺anの差{|ap-an|/ap}×100=A(%)と前記導
電性膜の自由エネルギー最小面を構成する長方格子の長
辺bpと前記隣接膜の自由エネルギー最小面を構成する長
方格子の長辺bnの差{|bp-bn|/bp}×100=B(%)が{A
+B×(ap/bp)}<13なる不等式を満足するように前記導電
性膜と前記隣接膜の材料を選択することにより達成され
る。Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a laminated wiring structure in which a conductive film and an adjacent film are stacked in contact with the conductive film on a semiconductor substrate. The short side a p of the rectangular lattice
And the difference between the short sides a n of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the adjacent film {| a p -a n | / a p } × 100 = A (%) and the minimum free energy of the conductive film. the difference of the long sides b n of rectangular lattice constituting the long side b p of rectangular lattice that constitute the surface free energy minimum surface of the adjacent film {| b p -b n | / b p} × 100 = B (%) Is (A
This is achieved by selecting the materials of the conductive film and the adjacent film so as to satisfy the inequality of + B × (a p / b p )} <13.
【0006】また、上記の目的は、半導体基板上に銅(C
u)膜と該銅(Cu)膜に接触して隣接膜が積層された積層配
線構造を有する半導体装置において、隣接膜をロジウム
(Rh)膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜、オスミウ
ム(Os)膜または白金(Pt)膜とすることにより達成され
る。Further, the above-mentioned purpose is to provide copper (C) on a semiconductor substrate.
u) a semiconductor device having a laminated wiring structure in which an adjacent film is laminated in contact with the copper (Cu) film, the adjacent film is made of rhodium.
This is achieved by using a (Rh) film, a ruthenium (Ru) film, an iridium (Ir) film, an osmium (Os) film or a platinum (Pt) film.
【0007】また、上記の目的は、半導体基板上に白金
(Pt)膜と該白金(Pt)膜に接触して隣接膜が積層された積
層配線構造を有する半導体装置において、隣接膜をロジ
ウム(Rh)膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜または
オスミウム(Os)膜とすることにより達成される。[0007] Further, the above object is to provide platinum on a semiconductor substrate.
In a semiconductor device having a laminated wiring structure in which an adjacent film is laminated in contact with the (Pt) film and the platinum (Pt) film, the adjacent films are rhodium (Rh) film, ruthenium (Ru) film, iridium (Ir) film Alternatively, it is achieved by using an osmium (Os) film.
【0008】具体的には下記の構成をとることが望まし
い。半導体基板の一主面側に形成された銅(Cu)膜配線
と、該銅(Cu)膜配線に接触して形成されたバリヤメタル
とを有する積層構造を備えた半導体装置において、前記
バリヤメタルはルテニウム(Ru)膜であり、前記銅(Cu)膜
配線はスパッタリングを用いて形成された銅(Cu)膜とメ
ッキを用いて形成された銅(Cu)膜との積層構造を備えて
いること。
半導体基板の一主面側に形成された銅(Cu)膜配線と、該
銅(Cu)膜配線に接触して形成されたバリヤメタルとを有
する積層構造を備えた半導体装置において、前記バリヤ
メタルはルテニウム(Ru)膜であり、前記銅(Cu)膜配線は
物理蒸着(PVD)を用いて形成された銅(Cu)膜と化学気相
成長法(CVD)を用いて形成された銅(Cu)膜との積層構造
を備えていること。
半導体基板の一主面側に形成された銅(Cu)膜配線と、該
銅(Cu)膜配線に接触して形成されたバリヤメタルとを有
する積層構造を備えた半導体装置において、前記バリヤ
メタルはスパッタリングを用いて形成されたルテニウム
(Ru)膜であり、前記銅(Cu)膜配線はスパッタリングを用
いて形成された銅(Cu)膜とメッキまたは化学気相成長法
(CVD)を用いて形成された銅(Cu)膜との積層構造を備え
ていること。
半導体基板の一主面側に形成された銅(Cu)膜配線と、該
銅(Cu)膜配線に接触して形成されたプラグとを有する構
造を備えた半導体装置において、前記プラグはロジウム
(Rh)膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜、オスミウ
ム(Os)膜、白金(Pt)膜からなる群から選ばれる一種類の
膜であり、前記銅(Cu)膜配線と前記プラグの少なくとも
一方には物理蒸着(PVD)を用いて形成された層が含まれ
ていること。
半導体基板の一主面側に形成された銅(Cu)膜配線と、該
銅(Cu)膜配線に接触して形成されたバリヤメタルと、該
バリヤメタルに接触して形成されたプラグとを有する構
造を備えた半導体装置において、前記バリヤメタルはル
テニウム(Ru)膜であり、前記プラグはルテニウム(Ru)膜
であり、前記銅(Cu)膜配線と前記プラグの少なくとも一
方には物理蒸着(PVD)を用いて形成された層が含まれて
いること。半導体基板の一主面側に形成された銅(C
u)膜配線と、該銅(Cu)膜配線に接触して形成された第
一バリヤメタルと、該第一バリヤメタルに接触して形成
されたプラグと、該プラグおよび前記第一バリヤメタル
に接触して形成された第二バリヤメタルとを有する構造
を備えた半導体装置において、前記第一バリヤメタルは
ルテニウム(Ru)膜であり、前記プラグはルテニウム(Ru)
膜であり、前記第二バリヤメタルは窒化チタン(TiN)膜
であり、前記銅(Cu)膜配線と前記第一バリヤメタルの少
なくとも一方はスパッタリングを用いて形成された膜で
あること。
半導体基板の一主面側に形成された白金(Pt)電極膜と、
該白金(Pt)電極膜に接触して形成された隣接膜とを有す
る構造を備えた半導体装置において、前記隣接膜はロジ
ウム(Rh)膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜、オス
ミウム(Os)膜からなる群から選ばれる一種類の膜であ
り、前記白金(Pt)電極膜と前記隣接膜の少なくとも一方
はスパッタリングを用いて形成された膜であること。
半導体装置の製造方法において下記の工程を備えたこ
と。Specifically, it is desirable to have the following configuration. In a semiconductor device having a laminated structure having a copper (Cu) film wiring formed on one main surface side of a semiconductor substrate and a barrier metal formed in contact with the copper (Cu) film wiring, the barrier metal is ruthenium. It is a (Ru) film, and the copper (Cu) film wiring has a laminated structure of a copper (Cu) film formed by sputtering and a copper (Cu) film formed by plating. In a semiconductor device having a laminated structure having a copper (Cu) film wiring formed on one main surface side of a semiconductor substrate and a barrier metal formed in contact with the copper (Cu) film wiring, the barrier metal is ruthenium. (Ru) film, the copper (Cu) film wiring is a copper (Cu) film formed using physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD) copper (Cu) formed using Must have a laminated structure with the membrane. In a semiconductor device having a laminated structure having a copper (Cu) film wiring formed on one main surface side of a semiconductor substrate and a barrier metal formed in contact with the copper (Cu) film wiring, the barrier metal is a sputtering material. Ruthenium formed using
(Ru) film, the copper (Cu) film wiring is a copper (Cu) film formed by sputtering and plating or chemical vapor deposition method
It must have a laminated structure with a copper (Cu) film formed using (CVD). In a semiconductor device having a structure having a copper (Cu) film wiring formed on one main surface side of a semiconductor substrate and a plug formed in contact with the copper (Cu) film wiring, the plug is rhodium.
(Rh) film, ruthenium (Ru) film, iridium (Ir) film, osmium (Os) film, one kind of film selected from the group consisting of platinum (Pt) film, the copper (Cu) film wiring and the At least one of the plugs contains a layer formed using physical vapor deposition (PVD). Structure having a copper (Cu) film wiring formed on one main surface side of a semiconductor substrate, a barrier metal formed in contact with the copper (Cu) film wiring, and a plug formed in contact with the barrier metal In the semiconductor device including, the barrier metal is a ruthenium (Ru) film, the plug is a ruthenium (Ru) film, physical vapor deposition (PVD) on at least one of the copper (Cu) film wiring and the plug. Includes layers formed using. Copper (C
u) film wiring, a first barrier metal formed in contact with the copper (Cu) film wiring, a plug formed in contact with the first barrier metal, and a plug formed in contact with the plug and the first barrier metal In a semiconductor device having a structure having a formed second barrier metal, the first barrier metal is a ruthenium (Ru) film and the plug is ruthenium (Ru).
The second barrier metal is a titanium nitride (TiN) film, and at least one of the copper (Cu) film wiring and the first barrier metal is a film formed by sputtering. A platinum (Pt) electrode film formed on the one main surface side of the semiconductor substrate,
In a semiconductor device having a structure having an adjacent film formed in contact with the platinum (Pt) electrode film, the adjacent film is a rhodium (Rh) film, a ruthenium (Ru) film, an iridium (Ir) film, an osmium film. It is one kind of film selected from the group consisting of (Os) film, and at least one of the platinum (Pt) electrode film and the adjacent film is a film formed by sputtering. The semiconductor device manufacturing method includes the following steps.
【0009】・半導体基板の一主面側にスパッタリング
を用いてルテニウム(Ru)膜を形成する工程。A step of forming a ruthenium (Ru) film on the main surface side of the semiconductor substrate by sputtering.
【0010】・前記ルテニウム(Ru)膜に接するようにス
パッタリングを用いて第一の銅(Cu)膜を形成する工程。A step of forming a first copper (Cu) film by sputtering so as to contact the ruthenium (Ru) film.
【0011】・前記第一の銅(Cu)膜に接するようにメッ
キまたは化学気相成長法(CVD)を用いて第二の銅(Cu)膜
を形成する工程。A step of forming a second copper (Cu) film by using plating or chemical vapor deposition (CVD) so as to be in contact with the first copper (Cu) film.
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照して説明する。まず、本発明における第一の
実施形態である半導体装置における積層配線構造部分の
断面構造を図1に示す。本実施形態の半導体装置におけ
る積層配線構造は、図1に示すように、シリコン基板1
の上に例えば酸化シリコンからなる絶縁膜2が形成さ
れ、該絶縁膜2に形成されたコンタクトホールを通じて
隣接膜3、導電性膜4、隣接膜5からなる第一積層配線
構造6が接続されている。第一積層配線構造6の上には
例えば酸化シリコンからなる絶縁膜7が形成され、該絶
縁膜7に形成されたビアホールには例えばタングステン
(W)からなるビア8が形成される。このビアを通じて隣
接膜9、導電性膜10、隣接膜11からなる第二積層配
線構造12が接続されている。ここで、第一積層配線構
造6については、導電性膜4の自由エネルギー最小面を
構成する長方格子の短辺apと隣接膜3、5の自由エネル
ギー最小面を構成する長方格子の短辺anの差{|ap-an|
/ap}×100=A(%)と前記導電性膜4の自由エネルギー
最小面を構成する長方格子の長辺bpと前記隣接膜3、5
の自由エネルギー最小面を構成する長方格子の長辺bnの
差{|bp-bn|/bp}×100=B(%)が{A+B×(ap/bp)}<13
なる不等式を満足する材料の組合せで隣接膜3、導電性
膜4、隣接膜5が形成されていることを特徴とする。具
体的には、導電性膜4として銅(Cu)膜を用いた場合、隣
接膜3、5としてはロジウム(Rh)膜、ルテニウム(Ru)膜、
イリジウム(Ir)膜、オスミウム(Os)膜または白金(Pt)膜
を用いればよい。また、導電性膜4として白金(Pt)膜を
用いた場合、隣接膜3、5としてはロジウム(Rh)膜、ル
テニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜またはオスミウム(O
s)膜を用いればよい。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a sectional structure of a laminated wiring structure portion in a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the laminated wiring structure in the semiconductor device of this embodiment has a silicon substrate 1
An insulating film 2 made of, for example, silicon oxide is formed thereon, and a first laminated wiring structure 6 including an adjacent film 3, a conductive film 4, and an adjacent film 5 is connected through a contact hole formed in the insulating film 2. There is. An insulating film 7 made of, for example, silicon oxide is formed on the first laminated wiring structure 6, and a via hole formed in the insulating film 7 is made of, for example, tungsten.
The via 8 made of (W) is formed. The second laminated wiring structure 12 including the adjacent film 9, the conductive film 10, and the adjacent film 11 is connected through the via. Here, regarding the first laminated wiring structure 6, the short side a p of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the conductive film 4 and the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the adjacent films 3 and 5 are formed. Difference of short sides a n {| a p -a n |
/ a p } × 100 = A (%) and the long side b p of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the conductive film 4 and the adjacent films 3 and 5
Difference of the long sides b n of the rectangular lattice constituting the minimum free energy surface of {| b p -b n | / b p } × 100 = B (%) is {A + B × (a p / b p )} < 13
The adjacent film 3, the conductive film 4, and the adjacent film 5 are formed of a combination of materials that satisfy the following inequality. Specifically, when a copper (Cu) film is used as the conductive film 4, as the adjacent films 3 and 5, a rhodium (Rh) film, a ruthenium (Ru) film,
An iridium (Ir) film, an osmium (Os) film, or a platinum (Pt) film may be used. When a platinum (Pt) film is used as the conductive film 4, a rhodium (Rh) film, a ruthenium (Ru) film, an iridium (Ir) film, or an osmium (O) film is used as the adjacent films 3 and 5.
s) A film may be used.
【0013】また、第二積層配線構造12についても同
様に、導電性膜10の自由エネルギー最小面を構成する
長方格子の短辺apと隣接膜9、11の自由エネルギー最
小面を構成する長方格子の短辺anの差{|ap-an|/ap}×
100=A(%)と前記導電性膜10の自由エネルギー最小
面を構成する長方格子の長辺bpと前記隣接膜9、11の
自由エネルギー最小面を構成する長方格子の長辺bnの差
{|bp-bn|/bp}×100=B(%)が{A+B×(ap/bp)}<13な
る不等式を満足する材料の組合せで隣接膜9、導電性膜
10、隣接膜11が形成されていることを特徴とする。
具体的には、導電性膜10として銅(Cu)膜を用いた場
合、隣接膜9、11としてはロジウム(Rh)膜、ルテニウ
ム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜、オスミウム(Os)膜または白
金(Pt)膜を用いればよい。また、導電性膜10として白
金(Pt)膜を用いた場合、隣接膜9、11としてはロジウ
ム(Rh)膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜またはオ
スミウム(Os)膜を用いればよい。Similarly, for the second laminated wiring structure 12, the short side a p of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the conductive film 10 and the minimum free energy surface of the adjacent films 9 and 11 are formed. Difference of short sides a n of rectangular lattice {| a p -a n | / a p } ×
100 = A (%) and the long side b p of the rectangular lattice forming the minimum free energy plane of the conductive film 10 and the long side b of the rectangular lattice forming the minimum free energy plane of the adjacent films 9 and 11. difference of n
{| B p -b n │ / b p } × 100 = B (%) is a combination of materials satisfying the inequality of {A + B × (a p / b p )} <13. The adjacent film 11 is formed.
Specifically, when a copper (Cu) film is used as the conductive film 10, the adjacent films 9 and 11 are rhodium (Rh) film, ruthenium (Ru) film, iridium (Ir) film, osmium (Os) film. Alternatively, a platinum (Pt) film may be used. When a platinum (Pt) film is used as the conductive film 10, rhodium (Rh) film, ruthenium (Ru) film, iridium (Ir) film or osmium (Os) film is used as the adjacent films 9 and 11. Good.
【0014】以下、本実施形態の半導体装置の効果につ
いて説明する。筆者らは、自由エネルギー最小面を構成
する長方格子の短辺a、長辺bの導電性膜と隣接膜の間の
差に着目し、この差が拡散係数に与える影響を計算機シ
ミュレーションにより調べた。具体的には、導電性膜と
該導電性膜に接触して隣接膜が積層された積層配線構造
において、前記導電性膜の自由エネルギー最小面を構成
する長方格子の短辺apと前記隣接膜の自由エネルギー最
小面を構成する長方格子の短辺anの差{|ap-an|/ap}×
100=A(%)を横軸にとり、前記導電性膜の自由エネル
ギー最小面を構成する長方格子の長辺bpと前記隣接膜の
自由エネルギー最小面を構成する長方格子の長辺bnの差
{|bp-bn|/bp}×100=B(%)に(ap/bp)を乗じた量を
縦軸にとったマップを作成し、このマップを網羅するよ
うにAとBを設定して計算機シミュレーションにより前記
導電性膜における拡散係数の値を計算した。The effects of the semiconductor device of this embodiment will be described below. The authors pay attention to the difference between the conductive film and the adjacent film on the short side a and the long side b of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface, and investigate the effect of this difference on the diffusion coefficient by computer simulation. It was Specifically, in a laminated wiring structure in which a conductive film and an adjacent film are stacked in contact with the conductive film, the short side a p of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the conductive film and the The difference between the short sides a n of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the adjacent film {| a p -a n | / a p } ×
With 100 = A (%) on the horizontal axis, the long side b p of the rectangular lattice forming the minimum free energy plane of the conductive film and the long side b of the rectangular lattice forming the minimum free energy plane of the adjacent film. difference of n
{| B p -b n | / b p } × 100 = B (%) multiplied by (a p / b p ), and make a map with the amount on the vertical axis. And B were set, and the value of the diffusion coefficient in the conductive film was calculated by computer simulation.
【0015】まず、導電性膜として銅(Cu)膜を用いた場
合の温度700Kにおけるシミュレーションを行った。この
場合、面心立方格子である銅(Cu)の自由エネルギー最小
面は(111)面である。この場合のシミュレーション結果
を図2に示す。図2の境界線を境にして銅(Cu)膜の拡散
係数が急激に増大するという結果を得た。境界線の内
側、すなわち、原点よりの領域は、拡散係数が小さくボ
イド等の発生しにくい領域であり、境界線の外側の領域
は、拡散係数が大きくボイド等の発生しやすい領域であ
る。この様子を詳細に見るために、銅(Cu)膜の拡散係数
を図2の破線に沿って調べた結果を図3に示す。ただ
し、Dは銅(Cu)膜の拡散係数であり、D0はバルクの銅(C
u)における拡散係数である。境界線を境に拡散係数が急
激に増大し、その先に従来隣接膜として用いられていた
窒化チタン(TiN)などが位置することがわかる。図2を
見るとタングステン(W)膜、タンタル(Ta)膜も境界線の
外側にあることがわかる。一方、図2の境界線の内側、
すなわち原点側にはロジウム(Rh)膜、ルテニウム(Ru)膜、
イリジウム(Ir)膜、オスミウム(Os)膜、白金(Pt)膜が位
置し、これらが銅(Cu)膜の拡散抑制に有効であることが
わかる。これらの材料は、AおよびB×(ap/bp)がともに1
3%未満の領域にある。図2の境界線を直線近似すると{A
+B×(ap/bp)}=13となる。したがって、{A+B×(ap/
bp)}<13なる不等式を満足する材料の組合せで導電性膜
と隣接膜が形成されている場合に拡散が抑えられ、ボイ
ドや断線が抑制される。ここでは、銅(Cu)膜の拡散係数
に着目し、これが小さいほど銅(Cu)膜でボイド等が発生
しにくいという判定をしたが,隣接膜でもボイド等が発
生しにくいほうが良く、このためには隣接膜は融点の高
い材料からなることがより好ましい。例えば、白金(融
点が1769 ℃)に比べて、融点の高いロジウム(融点が196
0 ℃)、ルテニウム(融点が2310 ℃)、イリジウム(融点
が2443 ℃)、オスミウム(融点が3045 ℃)がより好まし
い。First, a simulation was performed at a temperature of 700 K when a copper (Cu) film was used as the conductive film. In this case, the minimum free energy plane of copper (Cu), which is a face-centered cubic lattice, is the (111) plane. The simulation result in this case is shown in FIG. The result shows that the diffusion coefficient of the copper (Cu) film sharply increases at the boundary of FIG. The region inside the boundary, that is, the region from the origin is a region where the diffusion coefficient is small and voids or the like are less likely to occur, and the region outside the boundary line is the region where the diffusion coefficient is large and voids or the like are likely to occur. In order to see this in detail, FIG. 3 shows the results of examining the diffusion coefficient of the copper (Cu) film along the broken line in FIG. Where D is the diffusion coefficient of the copper (Cu) film and D 0 is the bulk copper (C
It is the diffusion coefficient in u). It can be seen that the diffusion coefficient sharply increases at the boundary, and titanium nitride (TiN), which has been conventionally used as the adjacent film, is located ahead of that. It can be seen from FIG. 2 that the tungsten (W) film and the tantalum (Ta) film are also outside the boundary line. On the other hand, inside the boundary line of FIG.
That is, on the origin side, a rhodium (Rh) film, a ruthenium (Ru) film,
An iridium (Ir) film, an osmium (Os) film, and a platinum (Pt) film are located, and it is understood that these are effective in suppressing diffusion of the copper (Cu) film. These materials have both A and B × (a p / b p ) of 1
In less than 3% area. If the boundary line in Fig. 2 is linearly approximated, (A
+ B × (a p / b p )} = 13. Therefore, (A + B × (a p /
b p)} when the conductive film and the adjacent film is formed on the diffusion is suppressed by the combination of satisfactory materials <13 becomes inequality, voids or disconnection can be suppressed. Here, we paid attention to the diffusion coefficient of the copper (Cu) film, and determined that the smaller it was, the less likely voids and the like would occur in the copper (Cu) film. More preferably, the adjacent film is made of a material having a high melting point. For example, rhodium (having a melting point of 196 ° C) has a higher melting point than platinum (having a melting point of 1769 ° C).
0 ° C.), ruthenium (melting point 2310 ° C.), iridium (melting point 2443 ° C.), osmium (melting point 3045 ° C.) are more preferable.
【0016】次に、導電性膜として白金(Pt)を用いたシ
ミュレーションを行った。白金(Pt)も面心立方格子であ
り、自由エネルギー最小面は(111)面である。この場合
のシミュレーション結果を図4、5に示す。図4の結果
は図2と同様であり、境界線の内側、すなわち、原点よ
りの領域は、拡散係数が小さくボイド等の発生しにくい
領域であり、境界線の外側の領域は、拡散係数が大きく
ボイド等の発生しやすい領域である。この様子を詳細に
見るために、白金(Pt)膜の拡散係数を図4の破線に沿っ
て調べた結果を図5に示す。図5において、 Dは白金(P
t)膜の拡散係数であり、D0はバルクの白金(Pt)における
拡散係数である。境界線を境に拡散係数が急激に増大す
ることがわかる。図4の境界線の内側にはロジウム(Rh)
膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜、オスミウム(O
s)膜が位置し、白金(Pt)膜の拡散抑制にはこれらの材料
が有効であることを示している。これらの材料は、 Aお
よびB×(ap/bp)がともに13%未満の領域にある。図4の
境界線の位置は、銅(Cu)膜の場合と良く一致することが
わかる。これらの境界線は直線近似すると{A+B×(ap/b
p)}=13となる。したがって、{A+B×(ap/bp)}<13なる
不等式を満足する材料の組合せで導電性膜と隣接膜が形
成されている場合に拡散が抑えられ、ボイドや断線が抑
制される。Next, a simulation using platinum (Pt) as a conductive film was performed. Platinum (Pt) is also a face-centered cubic lattice, and the minimum free energy plane is the (111) plane. Simulation results in this case are shown in FIGS. The result of FIG. 4 is the same as that of FIG. 2, and the inside of the boundary line, that is, the region from the origin is a region where the diffusion coefficient is small and voids or the like are unlikely to occur, and the region outside the boundary line has the diffusion coefficient. It is a large area where voids are likely to occur. In order to see this in detail, FIG. 5 shows the results of examining the diffusion coefficient of the platinum (Pt) film along the broken line in FIG. In Fig. 5, D is platinum (P
t) is the diffusion coefficient of the film, and D 0 is the diffusion coefficient of bulk platinum (Pt). It can be seen that the diffusion coefficient sharply increases at the boundary. Rhodium is inside the boundary line in Fig. 4.
Film, ruthenium (Ru) film, iridium (Ir) film, osmium (O
It is shown that these materials are effective in suppressing the diffusion of the platinum (Pt) film. These materials are in the region where both A and B x (a p / b p ) are less than 13%. It can be seen that the position of the boundary line in FIG. 4 is in good agreement with the case of the copper (Cu) film. When these boundary lines are approximated by a straight line, {A + B × (a p / b
p )} = 13. Therefore, when the conductive film and the adjacent film are formed of a combination of materials that satisfy the inequality {A + B × (a p / b p )} <13, diffusion is suppressed and voids and disconnections are suppressed.
【0017】次に、本発明における第二の実施形態であ
る半導体装置における積層配線構造部分の断面構造を図
7に示す。本実施形態の半導体装置における積層配線構
造は、図7に示すように、シリコン基板1の上に例えば
酸化シリコンからなる絶縁膜2が形成され、該絶縁膜2
に形成されたコンタクトホールを通じて拡散防止膜1
3、隣接膜3、導電性膜4、隣接膜5、拡散防止膜14
からなる第一積層配線構造6が接続されている。第一積
層配線構造6の上には例えば酸化シリコンからなる絶縁
膜7が形成され、該絶縁膜7に形成されたビアホールに
は例えばタングステン(W)からなるビア8が形成され
る。このビアを通じて拡散防止膜15、隣接膜9、導電
性膜10、隣接膜11、拡散防止膜16からなる第二積
層配線構造12が接続されている。ここで、拡散防止膜
13、14、15、16は、例えば窒化チタン(TiN)や
タングステン(W)、タンタル(Ta)からなる。第一積層配
線構造6については、導電性膜4の自由エネルギー最小
面を構成する長方格子の短辺apと隣接膜3、5の自由エ
ネルギー最小面を構成する長方格子の短辺anの差{|ap-
an|/ap}×100=A(%)と前記導電性膜4の自由エネル
ギー最小面を構成する長方格子の長辺bpと前記隣接膜
3、5の自由エネルギー最小面を構成する長方格子の長
辺bnの差{|bp-bn|/bp}×100=B(%)が{A+B×(ap/b
p)}<13なる不等式を満足する材料の組合せで隣接膜3、
導電性膜4、隣接膜5が形成されていることを特徴とす
る。具体的には、導電性膜4として銅(Cu)膜を用いた場
合、隣接膜3、5としてはロジウム(Rh)膜、ルテニウム
(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜、オスミウム(Os)膜または白金
(Pt)膜を用いればよい。また、導電性膜4として白金(P
t)膜を用いた場合、隣接膜3、5としてはロジウム(Rh)
膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜またはオスミウ
ム(Os)膜を用いればよい。Next, FIG. 7 shows a sectional structure of a laminated wiring structure portion in a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. In the laminated wiring structure in the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 7, an insulating film 2 made of, for example, silicon oxide is formed on a silicon substrate 1, and the insulating film 2 is formed.
Diffusion prevention film 1 through the contact hole formed in
3, adjacent film 3, conductive film 4, adjacent film 5, diffusion prevention film 14
Is connected to the first laminated wiring structure 6. An insulating film 7 made of, for example, silicon oxide is formed on the first laminated wiring structure 6, and a via 8 made of, for example, tungsten (W) is formed in a via hole formed in the insulating film 7. The second laminated wiring structure 12 including the diffusion prevention film 15, the adjacent film 9, the conductive film 10, the adjacent film 11, and the diffusion prevention film 16 is connected through the via. Here, the diffusion prevention films 13, 14, 15, and 16 are made of, for example, titanium nitride (TiN), tungsten (W), or tantalum (Ta). Regarding the first laminated wiring structure 6, the short side a p of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the conductive film 4 and the short side a of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the adjacent films 3 and 5. difference of n {| a p-
a n | / a p } × 100 = A (%) and the long side b p of the rectangular lattice that forms the minimum free energy surface of the conductive film 4 and the minimum free energy surface of the adjacent films 3 and 5 Difference of the long sides b n of the rectangular lattice {| b p -b n │ / b p } × 100 = B (%) is {A + B × (a p / b
p )} <13 the adjoining film 3 with a combination of materials satisfying the inequality
It is characterized in that the conductive film 4 and the adjacent film 5 are formed. Specifically, when a copper (Cu) film is used as the conductive film 4, rhodium (Rh) film and ruthenium are used as the adjacent films 3 and 5.
(Ru) film, iridium (Ir) film, osmium (Os) film or platinum
A (Pt) film may be used. In addition, platinum (P
When t) film is used, rhodium (Rh) is used as the adjacent films 3 and 5.
A film, a ruthenium (Ru) film, an iridium (Ir) film, or an osmium (Os) film may be used.
【0018】また、第二積層配線構造12についても同
様に、導電性膜10の自由エネルギー最小面を構成する
長方格子の短辺apと隣接膜9、11の自由エネルギー最
小面を構成する長方格子の短辺anの差{|ap-an|/ap}×
100=A(%)と前記導電性膜10の自由エネルギー最小
面を構成する長方格子の長辺bpと前記隣接膜9、11の
自由エネルギー最小面を構成する長方格子の長辺bnの差
{|bp-bn|/bp}×100=B(%)が{A+B×(ap/bp)}<13な
る不等式を満足する材料の組合せで隣接膜9、導電性膜
10、隣接膜11が形成されていることを特徴とする。
具体的には、導電性膜10として銅(Cu)膜を用いた場
合、隣接膜9、11としてはロジウム(Rh)膜、ルテニウ
ム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜、オスミウム(Os)膜または白
金(Pt)膜を用いればよい。また、導電性膜10として白
金(Pt)膜を用いた場合、隣接膜9、11としてはロジウ
ム(Rh)膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜またはオ
スミウム(Os)膜を用いればよい。Similarly, for the second laminated wiring structure 12, the short side a p of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the conductive film 10 and the minimum free energy surface of the adjacent films 9 and 11 are formed. Difference of short sides a n of rectangular lattice {| a p -a n | / a p } ×
100 = A (%) and the long side b p of the rectangular lattice forming the minimum free energy plane of the conductive film 10 and the long side b of the rectangular lattice forming the minimum free energy plane of the adjacent films 9 and 11. difference of n
{| B p -b n │ / b p } × 100 = B (%) is a combination of materials satisfying the inequality of {A + B × (a p / b p )} <13. The adjacent film 11 is formed.
Specifically, when a copper (Cu) film is used as the conductive film 10, the adjacent films 9 and 11 are rhodium (Rh) film, ruthenium (Ru) film, iridium (Ir) film, osmium (Os) film. Alternatively, a platinum (Pt) film may be used. When a platinum (Pt) film is used as the conductive film 10, rhodium (Rh) film, ruthenium (Ru) film, iridium (Ir) film or osmium (Os) film is used as the adjacent films 9 and 11. Good.
【0019】次に、本発明における第三の実施形態であ
る半導体装置における主要部分の断面構造を図8に示
す。本実施例の半導体装置は、図8に示すように、シリ
コン基板101の上に拡散層102、103、104、
105が形成され、この上にゲ−ト絶縁膜106、10
7およびゲ−ト電極108、109が形成されることに
よってMOSトランジスタが構成されている。ゲート絶縁
膜106、107は、例えばシリコン酸化膜あるいは窒
化珪素膜であり、ゲート電極108、109は、例えば
多結晶シリコン膜や金属薄膜、あるいは金属シリサイド
膜あるいはこれらの積層構造である。 MOSトランジスタ
は、例えばシリコン酸化膜からなる素子分離膜110に
よって分離されている。前記ゲート電極108、109
の上部および側壁には例えばシリコン酸化膜からなる絶
縁膜111、112が形成されている。 MOSトランジス
タの上部全面には、例えばBPSG(Boron−Doped Phospho
Silicate Glass)膜やSOG(Spin On Glass)膜、あるいは
化学気相成長法(英語ではChemical Vapor Deposision、
略してCVD)や物理蒸着(英語ではPhysical Vapor Deposi
tion、略してPVD)で形成したシリコン酸化膜や窒化膜等
からなる絶縁膜113が形成されている。絶縁膜113
に形成されたコンタクトホールには拡散防止用の隣接膜
114a、114bに被覆された導電体膜115からなる
プラグが形成され、拡散層102、103、104、1
05に接続されている。このプラグを通じて、バリヤメ
タル(拡散防止膜)としての隣接膜116a、116bに被
覆された導電性膜117からなる積層配線が接続されて
いる。この積層配線は、例えば、絶縁膜118に配線用
の溝を形成し、その上に隣接膜116aを形成した後、
導電性膜117を形成し、さらにその上に隣接膜116
bを形成する。バリヤメタルとしての隣接膜116a、1
16bと導電性膜117を形成する際には、通常行われ
ているように、バリヤメタルとしての隣接膜116a、
116bと導電性膜117のうちの少なくとも一つは少
なくとも物理蒸着(英語ではPhysical Vapor Depositio
n、略してPVD)を用いて形成される。物理蒸着を用いて
導電性膜117膜を形成する場合には、通常行われてい
るように、はじめにスパッタリング等の物理蒸着で成膜
し、その後、別の成膜法(例えば、狭い溝に膜を形成す
る上で優れているメッキや化学気相成長法)に切換えて
もよい。成膜法を切換えた場合のエレクトロマイグレー
ション耐性は特に重要である。別の成膜法に切換えずに
物理蒸着を使用し続けてもよい。この上には、絶縁膜1
21に形成されたビアホールにバリヤメタルとしての隣
接膜119a、119bに被覆された導電性膜120から
なるプラグが形成され、前記積層配線に接続されてい
る。このプラグを通じて、バリヤメタルとしての隣接膜
122a、122bに被覆された導電性膜123からなる
第二の積層配線が接続されている。この第二の積層配線
の形成については、例えば、絶縁膜124に配線用の溝
を形成し、その上に隣接膜122aを例えば化学気相成
長法により形成し、その上に導電性膜123を形成し、
その上に隣接膜122bを例えば化学気相成長法により
形成する。また、第二の積層配線を形成する工程は、絶
縁膜124を形成する前であってもよい。導電性膜12
3の成膜は、例えば、物理蒸着を用いた後、別の成膜法
(例えば、メッキや化学気相成長法)に切換えることによ
り行う。また、隣接膜119a、119bに被覆された導
電性膜120からなるプラグと第二の積層配線を形成す
る際には、絶縁膜121、124に溝を形成し、隣接膜
119a、119bと隣接膜122aを一括して成膜し、
その後導電性膜120と導電性膜123を形成するとい
った方法を用いてもよい。絶縁膜125は、例えばシリ
コン酸化膜からなる。Next, FIG. 8 shows a sectional structure of a main part of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the semiconductor device according to the present embodiment has diffusion layers 102, 103, 104, on the silicon substrate 101.
105 is formed, and the gate insulating films 106 and 10 are formed on this.
A MOS transistor is formed by forming the gate electrode 7 and the gate electrodes 108 and 109. The gate insulating films 106 and 107 are, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film, and the gate electrodes 108 and 109 are, for example, a polycrystalline silicon film, a metal thin film, a metal silicide film, or a laminated structure of these. The MOS transistors are isolated by an element isolation film 110 made of, for example, a silicon oxide film. The gate electrodes 108 and 109
Insulating films 111 and 112 made of, for example, a silicon oxide film are formed on the upper portion and the side wall of the. For example, BPSG (Boron-Doped Phospho) is formed on the entire upper surface of the MOS transistor.
Silicate Glass) film, SOG (Spin On Glass) film, or chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposision in English,
CVD for short and physical vapor deposition (Physical Vapor Deposi in English)
, an insulating film 113 made of a silicon oxide film, a nitride film, or the like formed by PVD). Insulating film 113
In the contact hole formed in the above, a plug made of the conductor film 115 covered with the adjacent films 114a and 114b for diffusion prevention is formed, and the diffusion layers 102, 103, 104, 1
05 is connected. Through this plug, the laminated wiring made of the conductive film 117 covered with the adjacent films 116a and 116b as the barrier metal (diffusion prevention film) is connected. In this laminated wiring, for example, after forming a wiring groove in the insulating film 118 and forming the adjacent film 116a thereon,
A conductive film 117 is formed, and an adjacent film 116 is formed on the conductive film 117.
form b. Adjacent film 116a as barrier metal, 1
When forming 16b and the conductive film 117, the adjacent film 116a as a barrier metal is formed as usual.
At least one of 116b and the conductive film 117 is at least physical vapor deposition (Physical Vapor Depositio in English).
n, PVD for short). When the conductive film 117 is formed using physical vapor deposition, as is usually done, the film is first formed by physical vapor deposition such as sputtering, and then another film forming method (for example, forming a film in a narrow groove). It is also possible to switch to plating or chemical vapor deposition, which is excellent in forming Electromigration resistance is particularly important when the film forming method is switched. You may continue to use physical vapor deposition without switching to another deposition method. On top of this, the insulating film 1
In the via hole formed in 21, a plug made of the conductive film 120 covered with the adjacent films 119a and 119b as a barrier metal is formed and connected to the laminated wiring. Through this plug, the second laminated wiring made of the conductive film 123 covered with the adjacent films 122a and 122b as the barrier metal is connected. Regarding the formation of the second laminated wiring, for example, a groove for wiring is formed in the insulating film 124, the adjacent film 122a is formed thereon by, for example, a chemical vapor deposition method, and the conductive film 123 is formed thereon. Formed,
An adjacent film 122b is formed thereon by, for example, a chemical vapor deposition method. Further, the step of forming the second laminated wiring may be performed before forming the insulating film 124. Conductive film 12
The film formation of No. 3 is, for example, using physical vapor deposition, and then another film formation method.
(For example, plating or chemical vapor deposition method). Further, when forming the plug made of the conductive film 120 covered with the adjacent films 119a and 119b and the second laminated wiring, grooves are formed in the insulating films 121 and 124, and the adjacent films 119a and 119b and the adjacent films are formed. 122a is collectively formed into a film,
Then, a method of forming the conductive film 120 and the conductive film 123 may be used. The insulating film 125 is made of, for example, a silicon oxide film.
【0020】この第三の実施形態において、隣接膜11
6a、116bに被覆された導電性膜117と隣接膜12
2a、122bに被覆された導電性膜123のうちの少な
くとも一方は、拡散を抑えてマイグレーションによるボ
イド発生等を防止するために、隣接膜の自由エネルギー
最小面を構成する長方格子の短辺anと前記導電性膜の自
由エネルギー最小面を構成する長方格子の短辺apの差
{|ap-an|/ap}×100=A(%)と、前記隣接膜の自由エ
ネルギー最小面を構成する長方格子の長辺bnと前記導電
性膜の自由エネルギー最小面を構成する長方格子の長辺
bpの差{|bp-bn|/bp}×100=B(%)が{A+B×(ap/
bp)}<13%なる不等式を満足する材料の組合せで形成す
る。具体的には、例えば、導電性膜117として銅(Cu)
膜を用いた場合、隣接膜116a、116bとしては、ロ
ジウム(Rh)膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜、
オスミウム(Os)膜、白金(Pt)膜からなる群から選ばれる
一種類の膜を用いる。プラグの導電性膜115、120
は導電性膜117と隣接するので、導電性膜115、1
20を導電性膜117の隣接膜とみなすことができるた
め、導電性膜117として銅(Cu)膜を用いた場合、導電
性膜115、120としては、ロジウム(Rh)膜、ルテニ
ウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜、オスミウム(Os)膜、白
金(Pt)膜からなる群から選ばれる一種類の膜を用いるこ
とによって、導電性膜117の拡散を抑え、マイグレー
ションによるボイド発生等を防止する。このようにする
と、ロジウム(Rh)膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(I
r)膜、オスミウム(Os)膜、白金(Pt)膜は銅(Cu)膜に比べ
て融点が高いので、プラグの導電性膜115、120と
して銅(Cu)膜を用いた場合に比べて、プラグの耐熱性が
向上するという効果も付加される。この場合、導電性膜
115、120の隣接膜114a、114b、119a、
119bとしては、窒化チタン(TiN)膜を用いると絶縁膜
113、121との密着性が良いので好ましい。密着性
を問題にしない場合には隣接膜114a、114b、11
9a、119bは存在しなくてもよい。プラグの耐熱性よ
りもプラグの電気抵抗の低さを重視するような場合に
は、プラグの導電性膜115、120として銅(Cu)膜を
用い、導電性膜115、120の隣接膜114a、11
4b、119a、119bとしては、ロジウム(Rh)膜、ル
テニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜、オスミウム(Os)
膜、白金(Pt)膜からなる群から選ばれる一種類の膜を用
いる。また、図8には示さないが、隣接膜116a、1
16b、122a、122b、114a、114b、119
a、119bのそれぞれと、絶縁膜の間には、図7の場合
と同様に一層以上の別の膜が形成されていてもよい。In this third embodiment, the adjacent film 11
Conductive film 117 and adjacent film 12 covered with 6a and 116b
At least one of the conductive films 123 covered by 2a and 122b has a short side a of a rectangular lattice forming a minimum free energy surface of an adjacent film in order to suppress diffusion and prevent generation of voids due to migration. The difference between n and the short side a p of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the conductive film
{| A p -a n | / a p } × 100 = A (%), the long side b n of the rectangular lattice constituting the minimum free energy surface of the adjacent film and the minimum free energy surface of the conductive film. Long sides of the rectangular lattice
The difference of b p {| b p -b n | / b p } × 100 = B (%) is {A + B × (a p /
b p )} <13%. Specifically, for example, copper (Cu) is used as the conductive film 117.
When a film is used, as the adjacent films 116a and 116b, a rhodium (Rh) film, a ruthenium (Ru) film, an iridium (Ir) film,
One kind of film selected from the group consisting of an osmium (Os) film and a platinum (Pt) film is used. Conductive films 115 and 120 of the plug
Is adjacent to the conductive film 117, the conductive films 115, 1
Since 20 can be regarded as a film adjacent to the conductive film 117, when a copper (Cu) film is used as the conductive film 117, the conductive films 115 and 120 are a rhodium (Rh) film and a ruthenium (Ru) film. Film, iridium (Ir) film, osmium (Os) film, platinum (Pt) film by using one kind of film selected from the group, to suppress the diffusion of the conductive film 117, to prevent the occurrence of voids due to migration To do. By doing this, the rhodium (Rh) film, the ruthenium (Ru) film, the iridium (I
Since the r) film, the osmium (Os) film, and the platinum (Pt) film have higher melting points than the copper (Cu) film, compared with the case where the copper (Cu) film is used as the conductive films 115 and 120 of the plug. The effect of improving the heat resistance of the plug is also added. In this case, the adjacent films 114a, 114b, 119a of the conductive films 115, 120,
It is preferable to use a titanium nitride (TiN) film as the film 119b because the adhesion with the insulating films 113 and 121 is good. When the adhesion is not a problem, the adjacent films 114a, 114b, 11
9a and 119b may not be present. When importance is attached to the low electrical resistance of the plug rather than the heat resistance of the plug, a copper (Cu) film is used as the conductive films 115 and 120 of the plug, and a film 114a adjacent to the conductive films 115 and 120 is used. 11
4b, 119a and 119b include rhodium (Rh) film, ruthenium (Ru) film, iridium (Ir) film, osmium (Os) film
One kind of film selected from the group consisting of a film and a platinum (Pt) film is used. Although not shown in FIG. 8, the adjacent films 116a, 1a
16b, 122a, 122b, 114a, 114b, 119
Similar to the case of FIG. 7, one or more different films may be formed between each of the a and 119b and the insulating film.
【0021】なお、図8には示さないが、導電性膜11
7、123の側壁から原子が絶縁膜中に拡散するのを防
止するため導電性膜117と導電性膜123の側壁にも
バリアメタルがあった方が好ましい。Although not shown in FIG. 8, the conductive film 11
In order to prevent atoms from diffusing into the insulating film from the side walls of Nos. 7 and 123, it is preferable that the side walls of the conductive film 117 and the conductive film 123 also have a barrier metal.
【0022】また、本発明は、配線、バリヤメタル、プ
ラグに限定されるものではなく、電極に適用してもよ
い。例えば、ゲート電極108、109が導電性膜と隣
接膜の積層構造である場合には、拡散を抑えてマイグレ
ーションによるボイド発生等を防止するために、隣接膜
の自由エネルギー最小面を構成する長方格子の短辺anと
前記導電性膜の自由エネルギー最小面を構成する長方格
子の短辺apの差{|ap-an|/ap}×100=A(%)と、前記
隣接膜の自由エネルギー最小面を構成する長方格子の長
辺bnと前記導電性膜の自由エネルギー最小面を構成する
長方格子の長辺bpの差{|bp-bn|/bp}×100=B(%)が
{A+B×(ap/bp)}<13%なる不等式を満足する材料の組
合せで形成する。具体的には、例えば、導電性膜として
銅(Cu)膜を用いた場合、隣接膜としては、ロジウム(Rh)
膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)膜、オスミウム
(Os)膜、白金(Pt)膜からなる群から選ばれる一種類の膜
を用いる。また、導電性膜として白金(Pt)膜を用いた場
合、隣接膜としては、ロジウム(Rh)膜、ルテニウム(Ru)
膜、イリジウム(Ir)膜、オスミウム(Os)膜からなる群か
ら選ばれる一種類の膜を用いる。また、ゲート電極10
8、109とゲート絶縁膜106、107の間には窒化
チタン等の別の膜があってもよい。The present invention is not limited to wiring, barrier metal, and plugs, but may be applied to electrodes. For example, in the case where the gate electrodes 108 and 109 have a laminated structure of a conductive film and an adjacent film, in order to suppress the diffusion and prevent the occurrence of voids due to migration, the rectangular shape of the free energy minimum surface of the adjacent film is formed. and {/ a p | | a p -a n} × 100 = a (%), the difference between the short sides a p of rectangular lattice that constitute the short sides a n lattice free energy minimum surface of the conductive film The difference between the long side b n of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the adjacent film and the long side b p of the rectangular lattice forming the minimum free energy surface of the conductive film {| b p -b n | / b p } × 100 = B (%) is
It is formed by a combination of materials that satisfy the inequality of {A + B × (a p / b p )} <13%. Specifically, for example, when a copper (Cu) film is used as the conductive film, the adjacent film is rhodium (Rh).
Film, ruthenium (Ru) film, iridium (Ir) film, osmium
One kind of film selected from the group consisting of (Os) film and platinum (Pt) film is used. When a platinum (Pt) film is used as the conductive film, adjacent films include a rhodium (Rh) film and a ruthenium (Ru) film.
One kind of film selected from the group consisting of a film, an iridium (Ir) film, and an osmium (Os) film is used. In addition, the gate electrode 10
There may be another film such as titanium nitride between 8, 109 and the gate insulating films 106, 107.
【0023】以上において、導電性膜として銅(Cu)膜を
用いた場合、拡散を抑制するために、隣接膜としては、
ロジウム(Rh)膜、ルテニウム(Ru)膜、イリジウム(Ir)
膜、オスミウム(Os)膜、白金(Pt)膜からなる群から選ば
れる一種類の膜を用いるとしてきたが、融点が高く、な
おかつ加工しやすい点を考慮すると、ルテニウム(Ru)膜
が隣接膜として最も好ましいといえる。In the above, when a copper (Cu) film is used as the conductive film, in order to suppress diffusion, the adjacent film is
Rhodium (Rh) film, Ruthenium (Ru) film, Iridium (Ir)
Although one type of film selected from the group consisting of a film, an osmium (Os) film, and a platinum (Pt) film has been used, the ruthenium (Ru) film is an adjacent film considering that it has a high melting point and is easy to process. Can be said to be the most preferable.
【0024】第三の実施形態のうちで、機能的に特に好
ましい構造を図9を用いて説明する。図8との構造的な
違いは、隣接膜116aと絶縁膜113の間に隣接膜1
26aが形成されており、隣接膜116bと絶縁膜121
の間に隣接膜126bが形成されており、隣接膜122a
と絶縁膜121の間に隣接膜127aが形成されてお
り、隣接膜122bと絶縁膜121の間に隣接膜127b
が形成されている点である。配線となる導電性膜11
7、123は、デバイスの高速性を良くするために、電
気抵抗の低い銅(Cu)膜からなる。そしてこの銅(Cu)膜配
線のマイグレーション耐性を優れたものとするために、
銅(Cu)膜117、123のバリヤメタルとしての隣接膜
116a、116b、122a、122bはルテニウム(Ru)
膜からなる。銅(Cu)膜117、123と隣接するプラグ
115、120は、マイグレーション耐性を優れたもの
とするために、ルテニウム(Ru)膜からなる。例えばマテ
リアルズリサーチソサイエティ(Materials Research So
siety、略してMRS)のシンポジウムプロシーディングズ
(Symposium Proceedings)の428巻として発行されている
マテリアルズ リライアビリティ イン マイクロエレク
トロニクス(Materials Reliability in Microelectroni
cs)の81ページから86ページまでに記載されているよう
に、プラグ付近のエレクトロマイグレーション耐性は特
に重要である。ルテニウム(Ru)のプラグは耐熱性が良い
という利点もある。以上より、プラグ115とバリヤメ
タル116aは、両方ともルテニウム(Ru)膜からなるの
で、これらを一括して成膜すると製造が簡単になるので
より好ましい。同様に、プラグ120とバリヤメタル1
27aは、両方ともルテニウム(Ru)膜からなるので、こ
れらも一括して成膜すると製造が簡単になるのでより好
ましい。これらのルテニウム(Ru)膜と絶縁膜の密着性を
向上させるために、バリヤメタル126a、126b、1
27a、127b、114a、114b、119a、119b
は窒化チタン(TiN)膜からなる。これにより、バリヤメ
タル114a、114bとバリヤメタル126aは、両方
とも窒化チタン(TiN)膜からなるので、これらは一括し
て成膜すると製造が簡単になるのでより好ましい。同様
に、バリヤメタル119a、119bとバリヤメタル12
7aは、両方とも窒化チタン(TiN)膜からなるので、これ
らを一括して成膜すると製造が簡単になるのでより好ま
しい。以上において、銅膜、バリヤメタルのうちの少な
くとも一つは、少なくともスパッタリングを用いて形成
される。また、バリヤメタル114aと拡散層104の
間には金属シリサイド膜等のコンタクト抵抗の低い膜が
あるとより好ましい。Among the third embodiments, a functionally particularly preferable structure will be described with reference to FIG. The structural difference from FIG. 8 is that the adjacent film 1 is provided between the adjacent film 116a and the insulating film 113.
26a is formed, the adjacent film 116b and the insulating film 121 are formed.
The adjacent film 126b is formed between the adjacent films and the adjacent film 122a.
The adjacent film 127a is formed between the insulating film 121 and the insulating film 121, and the adjacent film 127b is formed between the adjacent film 122b and the insulating film 121.
Is formed. Conductive film 11 to be wiring
Nos. 7 and 123 are made of a copper (Cu) film having a low electric resistance in order to improve the speed of the device. And in order to make the migration resistance of this copper (Cu) film wiring excellent,
Adjacent films 116a, 116b, 122a, 122b as barrier metals of the copper (Cu) films 117, 123 are made of ruthenium (Ru).
It consists of a membrane. The plugs 115 and 120 adjacent to the copper (Cu) films 117 and 123 are made of a ruthenium (Ru) film in order to have excellent migration resistance. For example, Materials Research Society
siety, abbreviated MRS)
(Symposium Proceedings) Volume 428, Materials Reliability in Microelectronics
Electromigration resistance near the plug is especially important, as described in pages 81-86 of cs). The ruthenium (Ru) plug also has the advantage of good heat resistance. As described above, since both the plug 115 and the barrier metal 116a are made of a ruthenium (Ru) film, it is more preferable to collectively form these films because the manufacturing is simplified. Similarly, the plug 120 and the barrier metal 1
Since 27a is composed of a ruthenium (Ru) film, it is more preferable to collectively form 27a because the manufacturing is simplified. In order to improve the adhesion between the ruthenium (Ru) film and the insulating film, barrier metals 126a, 126b, 1
27a, 127b, 114a, 114b, 119a, 119b
Is a titanium nitride (TiN) film. As a result, both the barrier metals 114a and 114b and the barrier metal 126a are made of a titanium nitride (TiN) film, and it is more preferable to collectively form these films because the manufacturing is simple. Similarly, barrier metal 119a, 119b and barrier metal 12
Since 7a is made of a titanium nitride (TiN) film, it is more preferable to collectively form 7a because the manufacturing is simplified. In the above, at least one of the copper film and the barrier metal is formed by using at least sputtering. It is more preferable that there is a film having a low contact resistance such as a metal silicide film between the barrier metal 114a and the diffusion layer 104.
【0025】なお、図9には示さないが、銅(Cu)膜11
7、123の側壁から銅(Cu)原子が絶縁膜中に拡散する
ことを防止するために銅(Cu)膜117と銅(Cu)膜123
の側壁にもバリアメタル形成した方が好ましい。Although not shown in FIG. 9, a copper (Cu) film 11
In order to prevent copper (Cu) atoms from diffusing into the insulating film from the side walls of 7, 123, the copper (Cu) film 117 and the copper (Cu) film 123
It is preferable to form a barrier metal also on the side wall of the.
【0026】図2、3、4、5に示した計算機シミュレ
ーションの結果は、分子動力学シミュレーションにより
得た結果である。分子動力学シミュレーションとは、例
えばジャーナルオブアプライドフィジックス(Journal o
f Applied Physics)の第54巻(1983年発行)の48
64ページから4878ページまでに記述されているよ
うに、原子間ポテンシャルを通して各原子に働く力を計
算し、この力を基にニュートンの運動方程式を解くこと
によって各時刻における各原子の位置を算出する方法で
ある。また、分子動力学シミュレーションにより拡散係
数を計算する方法については、例えばフィジカルレビュ
ーB(Physical Review B)の第29巻(1984年発行)
の5363ページから5371ページまでに記述されて
いる。さらに、銅(Cu)の拡散が抑制されるとエレクトロ
マイグレーション耐性が向上することはよく知られてい
ることであり、例えばマテリアルズリサーチソサイエテ
ィ(Materials Research Sosiety、略してMRS)のシンポ
ジウムプロシーディングズ(Symposium Proceedings)の4
28巻として発行されているマテリアルズ リライアビリ
ティ イン マイクロエレクトロニクス(Materials Relia
bility in Microelectronics)の43ページから60ページ
までに記載されている。前述したように、図2、3、
4、5は温度が700 Kにおけるシミュレーションの結果
であるが、ここで示された効果は、温度等のシミュレー
ション条件を変えても示すことができる。The computer simulation results shown in FIGS. 2, 3, 4, and 5 are the results obtained by the molecular dynamics simulation. A molecular dynamics simulation is, for example, the Journal of Applied Physics.
f Applied Physics) Volume 54 (1983) 48
As described on pages 64 to 4878, the force acting on each atom through the interatomic potential is calculated, and the position of each atom at each time is calculated by solving Newton's equation of motion based on this force. Is the way. Also, regarding the method of calculating the diffusion coefficient by molecular dynamics simulation, for example, Volume 29 of Physical Review B (published in 1984).
Pp. 5363 to 5371. Further, it is well known that the electromigration resistance is improved when the diffusion of copper (Cu) is suppressed, and for example, a symposium proceedings of Materials Research Society (MRS for short) ( Symposium Proceedings) 4
Materials Reliability in Microelectronics (Vol. 28)
(bility in Microelectronics), pages 43-60. As mentioned above, FIGS.
Nos. 4 and 5 are the results of the simulation at the temperature of 700 K, but the effects shown here can be shown even when the simulation conditions such as the temperature are changed.
【0027】また、図6に、バルクの結晶において自由
エネルギー最小の結晶面を構成する長方格子を示し、長
方格子の短辺aと長辺bの定義を示したが、以下に、これ
についてもう少し詳細に説明する。短辺aは、バルクの
結晶における最近接原子間距離のことであり、例えば、
固体物理学入門上巻第5版(チャールズ・キッテル著、1
978年に丸善株式会社より発行)の28ページに記載されて
いる。長辺bは、面心立方構造、または最密六方構造を
持つ結晶については短辺aの約1.73倍であり、体心立方
構造を持つ結晶については短辺aの約1.41倍である。例
えば、面心立方構造を持つ銅(Cu)の自由エネルギー最小
面は(111)面であり、その短辺aCuは約0.26 nmであり、
長辺bCuは約0.44 nmである。最密六方構造を持つルテニ
ウム(Ru)の自由エネルギー最小面は(001)面であり、そ
の短辺aRuは約0.27 nmであり、長辺bRuは約0.46 nmであ
る。Further, FIG. 6 shows a rectangular lattice constituting a crystal plane having the minimum free energy in a bulk crystal, and the definition of the short side a and the long side b of the rectangular lattice is shown below. Will be explained in more detail. The short side a is the closest interatomic distance in a bulk crystal, for example,
Introduction to Solid State Physics, First Volume, 5th Edition (by Charles Kittel, 1
(Published by Maruzen Co., Ltd. in 978) on page 28. The long side b is about 1.73 times the short side a for a crystal having a face-centered cubic structure or a close-packed hexagonal structure, and about 1.41 times the short side a for a crystal having a body-centered cubic structure. For example, the minimum free energy plane of copper (Cu) having a face-centered cubic structure is the (111) plane, and its short side a Cu is about 0.26 nm,
The long side b Cu is about 0.44 nm. The minimum free energy plane of ruthenium (Ru) having a close-packed hexagonal structure is the (001) plane, and its short side a Ru is about 0.27 nm and its long side b Ru is about 0.46 nm.
【0028】本発明の結果に基づいて、発明者らは先行
技術調査を行った。その結果、銅(Cu)配線とそのバリヤ
メタルに関するものとして、特開平10−229084号公報を
見つけ出した。しかし、これは、以下に説明するよう
に、本発明と明確に異なるものである。特開平10−2290
84号公報は、アスペクト比の高い接続孔にバリヤメタル
および銅(Cu)膜配線を形成しやすくすることを課題とし
ているため、バリヤメタルおよび銅(Cu)膜配線の両方
を、スパッタリング等の物理蒸着(PVD)を用いずにメッ
キまたは化学気相成長法(CVD)を用いて形成する配線構
造を対象としている。これに対して本発明では、通常の
配線構造と同じように、バリヤメタルと銅(Cu)膜配線の
うちの少なくとも一方が物理蒸着を使用して形成される
配線構造を対象としている。そして物理蒸着を使用した
場合に特に重要となるエレクトロマイグレーション耐性
の向上を課題としている。通常のバリヤメタルと銅(Cu)
膜配線の形成においては、バリヤメタルと銅(Cu)膜配線
のうちの少なくとも一方がスパッタリング等の物理蒸着
を使用して形成されていることが、例えば月刊セミコン
ダクターワールド(株式会社プレスジャーナル発行、199
8年2月号91〜96ページ)に記述されている。この中に記
載されているように、銅(Cu)膜配線をメッキまたは化学
気相成長法(CVD)で形成する際には、通常、はじめにス
パッタリング等の物理蒸着(PVD)で銅(Cu)膜のシード層
を形成し、この後メッキまたは化学気相成長法(CVD)に
切換えるという方法がとられる。したがって、特開平10
−229084号公報のように、バリヤメタルおよび銅(Cu)膜
配線の両方を、スパッタリング等の物理蒸着(PVD)を用
いずにメッキまたは化学気相成長法(CVD)を用いて形成
することは、アスペクト比の高い接続孔に形成するとい
う目的を達成する上では好ましいが、現状ではほとんど
行われていない。現状ではほとんど行われていない理由
としては、例えば月刊セミコンダクターワールド(株式
会社プレスジャーナル発行、1998年2月号86〜96ペー
ジ)に記載されているように、物理蒸着(PVD)で形成され
たの銅(Cu)膜のシード層は化学気相成長法(CVD)で形成
された銅(Cu)膜のシード層と比較して密着性に優れてい
ることや、メッキで銅(Cu)膜を直接バリヤメタルの上に
形成することがほぼ不可能であることや、化学気相成長
法(CVD)で形成されたバリヤメタルは高抵抗か低バリヤ
性のいずれかの欠点を持っている、などが挙げられる。
物理蒸着(PVD)の中でも最もよく用いられているスパッ
タリングは、例えば薄膜ハンドブック(オーム社発行、
日本学術振興会編集)の171ページから195ページに記載
されているように、アルゴン(Ar)、キセノン(Xe)、クリ
プトン(Kr)、ネオン(Ne)等の希ガス元素(貴ガス元素と
も呼ばれる)を用いるために、膜の中に希ガス元素が0.0
001%以上含まれてしまうが、メッキや化学気相成長法
(CVD)で成膜された膜に比べて密着性が良いので好まし
いといえる。Based on the results of the present invention, the inventors conducted a prior art search. As a result, the inventors have found Japanese Patent Laid-Open No. 10-229084 as related to copper (Cu) wiring and its barrier metal. However, this is distinct from the present invention, as described below. JP 10-2290
Japanese Patent Publication No. 84 has a problem of facilitating formation of a barrier metal and a copper (Cu) film wiring in a connection hole having a high aspect ratio, so that both the barrier metal and the copper (Cu) film wiring are subjected to physical vapor deposition such as sputtering ( The target is a wiring structure formed by plating or chemical vapor deposition (CVD) without using PVD). On the other hand, the present invention is directed to a wiring structure in which at least one of the barrier metal and the copper (Cu) film wiring is formed by using physical vapor deposition, as in the normal wiring structure. Then, it is an object to improve electromigration resistance, which is particularly important when using physical vapor deposition. Normal barrier metal and copper (Cu)
In forming the film wiring, at least one of the barrier metal and the copper (Cu) film wiring is formed by using physical vapor deposition such as sputtering, for example, monthly Semiconductor World (published by Press Journal, Inc., 199
February 1998 issue, pages 91-96). As described therein, when the copper (Cu) film wiring is formed by plating or chemical vapor deposition (CVD), copper (Cu) is usually first deposited by physical vapor deposition (PVD) such as sputtering. The method is to form a seed layer of the film and then switch to plating or chemical vapor deposition (CVD). Therefore, JP-A-10
As in Japanese Patent No. 229084, forming both the barrier metal and the copper (Cu) film wiring by using plating or chemical vapor deposition (CVD) without using physical vapor deposition (PVD) such as sputtering, It is preferable for achieving the purpose of forming a connection hole having a high aspect ratio, but it is rarely performed at present. As a reason why it is hardly done at present, it is formed by physical vapor deposition (PVD) as described in, for example, Monthly Semiconductor World (published by Press Journal, Inc., February 1998, pages 86-96). The seed layer of the copper (Cu) film is superior in adhesiveness to the seed layer of the copper (Cu) film formed by chemical vapor deposition (CVD), and the copper (Cu) film is formed by plating. It is almost impossible to form directly on the barrier metal, and the barrier metal formed by chemical vapor deposition (CVD) has the drawback of either high resistance or low barrier. To be
The most commonly used sputtering among physical vapor deposition (PVD) is, for example, a thin film handbook (published by Ohmsha,
As described on pages 171 to 195 (edited by the Japan Society for the Promotion of Science), rare gas elements such as argon (Ar), xenon (Xe), krypton (Kr), and neon (Ne) (also called noble gas elements). ) Is used, the rare gas element is 0.0
001% or more will be included, but plating and chemical vapor deposition
It can be said that it is preferable because it has better adhesion than a film formed by (CVD).
【0029】なお、ここでバリヤメタルとは、本来は、
銅(Cu)等の配線材料の拡散を防止するためのバリヤ金属
という意味を持ち、例えば、導電性膜117として銅(C
u)膜を用いた場合の隣接膜116a、116bのことをバ
リヤメタルと言う。バリヤメタルには密着性を向上させ
る役割や、結晶配向性を制御する役割や、結晶粒の大き
さを制御する役割などを持つ場合があり、主たる役割が
拡散防止でない場合もある。本明細書では、拡散防止以
外の目的で使用している場合でも、隣接膜116a、1
16b、114a、114b、のように導電性膜に隣接し
て用いられる導電性の膜をバリヤメタルと記載してい
る。The barrier metal here is originally
It has the meaning of a barrier metal for preventing the diffusion of wiring materials such as copper (Cu), and for example, copper (C
u) The adjacent films 116a and 116b in the case of using the film are called barrier metal. The barrier metal may have a role of improving the adhesion, a role of controlling the crystal orientation, a role of controlling the size of the crystal grain, and the main role may not be diffusion prevention. In the present specification, even when the adjacent films 116a, 1a are used for purposes other than diffusion prevention,
Conductive films such as 16b, 114a and 114b used adjacent to the conductive film are described as barrier metal.
【0030】また、銅(Cu)膜と呼んでいるものは、主構
成元素が銅(Cu)である膜のことであり、これに他の元素
が含まれていても、上記と同様の効果を示すことができ
る。ルテニウム(Ru)膜等についても同様である。What is called a copper (Cu) film is a film whose main constituent element is copper (Cu), and even if it contains other elements, the same effect as above is obtained. Can be shown. The same applies to ruthenium (Ru) films and the like.
【0031】[0031]
【発明の効果】本発明によれば半導体基板上に導電性膜
と該導電性膜に接触して隣接膜が積層された積層配線構
造を有する半導体装置において、導電性膜の拡散を抑え
ることができる。したがって、積層配線構造においてボ
イドや断線を起こしにくい、信頼性の高い半導体装置が
提供される。According to the present invention, it is possible to suppress the diffusion of a conductive film in a semiconductor device having a laminated wiring structure in which a conductive film is formed on a semiconductor substrate in contact with the conductive film and adjacent films are stacked. it can. Therefore, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device which is unlikely to cause voids or disconnection in the laminated wiring structure.
【図1】本発明における第一の実施形態である半導体装
置の積層配線構造の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a laminated wiring structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】銅(Cu)膜を導電性膜とした場合の拡散係数に対
する隣接膜材料の効果を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an effect of an adjacent film material on a diffusion coefficient when a copper (Cu) film is a conductive film.
【図3】銅(Cu)膜を導電性膜とした場合の拡散係数に対
する隣接膜材料の効果を図2の破線に沿って示した特性
図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the effect of an adjacent film material on the diffusion coefficient when a copper (Cu) film is used as a conductive film, along the broken line in FIG.
【図4】白金(Pt)膜を導電性膜とした場合の拡散係数に
対する隣接膜材料の効果を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing an effect of an adjacent film material on a diffusion coefficient when a platinum (Pt) film is a conductive film.
【図5】白金(Pt)膜を導電性膜とした場合の拡散係数に
対する隣接膜材料の効果を図4の破線に沿って示した特
性図である。5 is a characteristic diagram showing the effect of an adjacent film material on the diffusion coefficient when a platinum (Pt) film is used as a conductive film, along the broken line in FIG.
【図6】長方格子における原子配列と短辺および長辺を
示した図である。FIG. 6 is a diagram showing an atomic arrangement and a short side and a long side in a rectangular lattice.
【図7】本発明における第二の実施形態である半導体装
置の積層配線構造の断面図である。FIG. 7 is a sectional view of a laminated wiring structure of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図8】本発明における第三の実施形態である半導体装
置の主要部分の断面図である。FIG. 8 is a sectional view of a main portion of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
【図9】本発明における第三の実施形態である半導体装
置の中でも、機能的に特に好ましい構造を持つ半導体装
置の主要部分の断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of a main portion of a semiconductor device having a functionally particularly preferable structure among the semiconductor devices according to the third embodiment of the present invention.
1…シリコン基板、2…絶縁膜、3…隣接膜、4…導電
性膜、5…隣接膜、6…第一積層配線構造、7…絶縁
膜、8…ビア、9…隣接膜、10…導電性膜、11…隣
接膜、12…第二積層配線構造、13、14、15、1
6…拡散防止膜、101…シリコン基板、102、10
3、104、105…拡散層、106、107、…ゲー
ト絶縁膜、108、109、110…素子分離膜、11
1、112、113、118、121、124、125
…絶縁膜、114a、114b、116a、116b、
119a、119b 、122a、122b、126a、
126b、127a、127b…隣接膜、115、11
7、120、123…導電性膜。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate, 2 ... Insulating film, 3 ... Adjacent film, 4 ... Conductive film, 5 ... Adjacent film, 6 ... First laminated wiring structure, 7 ... Insulating film, 8 ... Via, 9 ... Adjacent film, 10 ... Conductive film, 11 ... Adjacent film, 12 ... Second laminated wiring structure, 13, 14, 15, 1
6 ... Diffusion prevention film, 101 ... Silicon substrate, 102, 10
3, 104, 105 ... Diffusion layer, 106, 107, ... Gate insulating film, 108, 109, 110 ... Element isolation film, 11
1, 112, 113, 118, 121, 124, 125
... Insulating films, 114a, 114b, 116a, 116b,
119a, 119b, 122a, 122b, 126a,
126b, 127a, 127b ... Adjacent film, 115, 11
7, 120, 123 ... Conductive film.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−236878(JP,A) 特開 平10−256251(JP,A) 特開 平5−315336(JP,A) 特開 平9−69522(JP,A) 特開 平10−284601(JP,A) 特開 平10−22274(JP,A) 特表2001−505367(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/768 H01L 21/28 301 H01L 21/3205 ─────────────────────────────────────────────────── --- Continuation of front page (56) References JP-A-6-236878 (JP, A) JP-A-10-256251 (JP, A) JP-A-5-315336 (JP, A) JP-A-9- 69522 (JP, A) JP 10-284601 (JP, A) JP 10-22274 (JP, A) Special Table 2001-505367 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7) , DB name) H01L 21/768 H01L 21/28 301 H01L 21/3205
Claims (6)
u)膜配線と、該銅(Cu)膜配線に接触して形成されたバリ
ヤメタルと、該バリヤメタルに接触して形成されたプラ
グとを有する構造を備えた半導体装置において、前記バ
リヤメタルはルテニウム(Ru)膜であり、前記プラグはル
テニウム(Ru)膜であり、前記銅(Cu)膜配線と前記プラグ
の少なくとも一方には物理蒸着(PVD)を用いて形成され
た層が含まれていることを特徴とする半導体装置。 1. A copper (C) formed on a main surface side of a semiconductor substrate.
u) In a semiconductor device having a structure having a film wiring, a barrier metal formed in contact with the copper (Cu) film wiring, and a plug formed in contact with the barrier metal, the barrier metal is ruthenium (Ru ) Film, the plug is a ruthenium (Ru) film, at least one of the copper (Cu) film wiring and the plug contains a layer formed using physical vapor deposition (PVD) Characteristic semiconductor device.
u)膜配線と、該銅(Cu)膜配線に接触して形成された第一
バリヤメタルと、該第一バリヤメタルに接触して形成さ
れたプラグと、該プラグおよび前記第一バリヤメタルに
接触して形成された第二バリヤメタルとを有する構造を
備えた半導体装置において、前記第一バリヤメタルはル
テニウム(Ru)膜であり、前記プラグはルテニウム(Ru)膜
であり、前記第二バリヤメタルは窒化チタン(TiN)膜で
あり、前記銅(Cu)膜配線と前記第一バリヤメタルの少な
くとも一方はスパッタリングを用いて形成された膜であ
ることを特徴とする半導体装置。 2. A copper (C) formed on one main surface side of a semiconductor substrate.
u) the film wiring, the first barrier metal formed in contact with the copper (Cu) film wiring, the plug formed in contact with the first barrier metal, the plug and the first barrier metal In a semiconductor device having a structure having a formed second barrier metal, the first barrier metal is a ruthenium (Ru) film, the plug is a ruthenium (Ru) film, the second barrier metal is titanium nitride (TiN ) Film, and at least one of the copper (Cu) film wiring and the first barrier metal is a film formed by sputtering.
u)u) 膜配線と、該銅Membrane wiring and the copper (Cu)(Cu) 膜配線に接触して形成されたバリBurrs formed in contact with the film wiring
ヤメタルと、該バリヤメタルに接触して形成されたプラYametal and a plastic formed in contact with the barrier metal
グとを有する構造を備えた半導体装置の製造方法においIn a method of manufacturing a semiconductor device having a structure having
て、hand, 半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜Forming an insulating film on a semiconductor substrate;
に前記プラグを形成する工程と、Forming the plug on the 前記絶縁膜の上に前記プラグに連絡する前記バリアメタThe barrier metal contacting the plug on the insulating film
ルを備えた前記銅膜配線を形成する工程と、を有し、And a step of forming the copper film wiring provided with 前記バリヤメタルはルテニウムThe barrier metal is ruthenium (Ru)(Ru) 膜であり、前記プラThe membrane and the plastic
グはルテニウムRuthenium (Ru)(Ru) 膜であり、A membrane, 前記銅The copper (Cu)(Cu) 膜配線と前記プラグの少なくとも一方には物At least one of the membrane wiring and the plug has an object
理蒸着Physical vapor deposition (PVD)(PVD) を用いて形成された層が含まれていることIncludes layers formed using
を特徴とする半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
u)u) 膜配線と、該銅Membrane wiring and the copper (Cu)(Cu) 膜配線に接触して形成された第一First formed in contact with membrane wiring
バリヤメタルと、該第一バリヤメタルに接触して形成さThe barrier metal is formed in contact with the first barrier metal.
れたプラグと、該プラグおよび前記第一バリヤメタルにThe plug and the plug and the first barrier metal
接触して形成された第二バリヤメタルとを有する構造をA structure having a second barrier metal formed in contact with
備えた半導体装置の製造方法において、In the method of manufacturing a semiconductor device provided with, 半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜Forming an insulating film on a semiconductor substrate;
に前記プラグを形成する工程と、Forming the plug on the 前記絶縁膜の上に前記プラグに連絡する前記第一バリアThe first barrier in contact with the plug on the insulating film
メタル及び前記第二バリアメタルを備えた前記銅膜配線The copper film wiring including a metal and the second barrier metal
を形成する工程と、を有し、And a step of forming 前記第一バリヤメタルはルテニウムThe first barrier metal is ruthenium (Ru)(Ru) 膜であり、前記A membrane and said
プラグはルテニウムRuthenium plug (Ru)(Ru) 膜であり、前記第二バリヤメタA membrane, said second barrier metal
ルは窒化チタンIs titanium nitride (TiN)(TiN) 膜であり、前記銅The film is copper (Cu)(Cu) 膜配線と前Membrane wiring and front
記第一バリヤメタルの少なくとも一方はスパッタリングAt least one of the first barrier metals is sputtered
を用いて形成された膜であることを特徴とする半導体装A semiconductor device characterized by being a film formed by using
置の製造方法。Manufacturing method.
u)膜配線と、該銅(Cu)膜配線に接触して形成されたバリ
ヤメタルと、該バリヤメタルに電気的に接触して形成さ
れたプラグとを有する構造を備えた半導体装置におい
て、前記バリヤメタルはルテニウム(Ru)膜であり、前記
プラグはルテニウム(Ru)膜であることを特徴とする半導
体装置。5. A copper (C) formed on the main surface side of a semiconductor substrate.
u) In a semiconductor device having a structure having a film wiring, a barrier metal formed in contact with the copper (Cu) film wiring, and a plug formed in electrical contact with the barrier metal, the barrier metal is ruthenium (Ru) film, said plug and wherein a Ru ruthenium (Ru) Makudea.
u)膜配線と、該銅(Cu)膜配線に接触して形成された第一
バリヤメタルと、該第一バリヤメタルに電気的に接触し
て形成されたプラグと、該プラグおよび前記第一バリヤ
メタルに接触して形成された第二バリヤメタルとを有す
る構造を備えた半導体装置において、前記第一バリヤメ
タルはルテニウム(Ru)膜であり、前記プラグはルテニウ
ム(Ru)膜であり、前記第二バリヤメタルは窒化チタン(T
iN)膜であることを特徴とする半導体装置。6. A copper (C) formed on one main surface side of a semiconductor substrate.
u) film wiring, a first barrier metal formed in contact with the copper (Cu) film wiring, a plug formed in electrical contact with the first barrier metal, and the plug and the first barrier metal In a semiconductor device having a structure having a second barrier metal formed in contact with each other, the first barrier metal is a ruthenium (Ru) film, the plug is a ruthenium (Ru) film, and the second barrier metal is nitrided. Titanium (T
wherein a iN) Makudea Ru.
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