JP4110829B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、配線溝と接続孔を導電材料により埋め込むことにより、配線とコンタクトを同時に形成するデュアルダマシンプロセスを有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
LSIの微細化の進展に伴い、配線抵抗と配線容量によるLSI性能への影響が無視できない値になりつつある。配線材料にアルミニウム(Al)を用い、層間絶縁膜に酸化シリコン(SiO2 )を用いた配線構造では、全体に占める配線遅延の割合が0.18μm世代以降、急激に増大する。
【0003】
隣接する配線間隔の縮小化や配線間の対向面積の増加を抑制しつつ、配線間容量や配線抵抗を低減するため、絶縁材料には従来の酸化シリコンより低誘電率の材料を用い、配線材料としてはアルミニウムの代わりに銅(Cu)を用いたLSIの開発が進められている。銅は、アルミニウムに比べ比抵抗が低く、融点が高いことから、配線遅延の低減と信頼性の大幅な向上が期待されている。
【0004】
微細な配線パターンの加工は、これまでアルミニウムからなるメタル層を全面成膜し、この上にエッチング耐性のあるマスクを被せ、不要なメタル領域をエッチングにより除去して、所望の配線構造を形成していた。
【0005】
しかし、銅配線の場合、ドライエッチングによる微細構造形成が実用上困難であるため、絶縁膜をエッチングすることにより絶縁膜内に予め配線溝を形成し、配線溝内に銅を埋め込む方法、いわゆるダマシン(Damascene)法が用いられている。特に、上下の配線を相互に接続する接続孔と上層配線の配線溝を予め形成した後、一括して銅を埋め込むデュアルダマシン法が開発の中心となっている。
【0006】
しかしながら、デュアルダマシン法では、配線の微細化が進むと、接続孔と配線溝に銅を隙間なく埋め込むことが困難となり、その結果、接続孔内にボイドが形成されやすく、導電性不良が発生し易いといった問題がある。
【0007】
以上の問題を解決する目的から、デュアルダマシンプロセスとして、例えば、特開平10−229122号公報や、特開2000−299376号公報に記載の技術がある。
【0008】
特開平10−229122号公報に記載の技術では、層間絶縁膜を接続孔のパターンでハーフエッチングすることにより接続孔を層間絶縁膜の途中まで形成し、次に、層間絶縁膜を配線溝のパターンでエッチングすることにより、配線溝を形成するとともに接続孔を下層配線に到達するように形成している。このときの配線溝の形成のためのエッチング時において、接続孔の配線溝側の端部であって、角部となっていた部分をもエッチングして、接続孔の開口径が配線溝に向かって広がるような形状とすることにより、この後に行う配線溝および接続孔への配線材料の埋め込みにおいて、埋め込み性を向上させることとしている。
【0009】
特開2000−299376号公報に記載の技術では、下層絶縁膜と上層絶縁膜の2層を形成し、まず、上層絶縁膜に接続孔のパターンで開口を形成し、さらに下層絶縁膜にテーパー形状となるような接続孔をエッチングにより形成し、その後、上層絶縁膜に配線溝を形成している。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平10−229122号公報に記載の技術では、エッチングにより配線溝を形成する際に、基板面内において、エッチング深さのばらつきが生じてしまい、後に当該配線溝に形成する配線膜厚のばらつきを生じることとなり、配線抵抗や、配線間容量のばらつきが大きくなってしまうという問題がある。
【0011】
また、特開2000−299376号公報に記載の技術では、下層絶縁膜に接続孔を形成する際に、上端から下端に向けて連続的に径が狭まるテーパー形状となるようなエッチング条件でエッチングを行うため、接続孔の下端の面積が確保されない場合には、抵抗の増加等といった不具合が生じることとなってしまう。接続孔の上端の径を充分大きくすれば、接続孔の下端の面積を確保することも可能であるが、デザインルールの制約もあることから下端の面積を確保することに困難を伴う場合がある。
【0012】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、配線溝や接続孔の深さのばらつきを抑制しつつ、かつ、下層配線との接続面積を確保した状態で接続孔への導電材料の埋め込み性を向上させることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、下層配線上に第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜上にエッチングのストッパ層を形成する工程と、前記ストッパ層上に第2絶縁膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜、前記ストッパ層および前記第1絶縁膜をエッチングにより除去して接続孔を形成する工程と、前記ストッパ層を露出させるまで前記第2絶縁膜をエッチングにより除去して、前記第2絶縁膜に配線溝を形成する工程と、前記第2絶縁膜に配線溝を形成する工程において、前記第2絶縁膜を除去する際に実施したエッチングと同一のエッチングをさらに続けて、前記配線溝と前記接続孔との連結部における前記ストッパ層および前記第1絶縁膜を削って、前記配線溝側の前記接続孔の端部の径を拡げる工程と、前記配線溝および前記接続孔を導電材料で埋め込む工程とを有する。
【0014】
前記配線溝側の前記接続孔の端部の径を拡げる工程の後、前記配線溝および前記接続孔を導電材料で埋め込む工程の前に、前記配線溝に露出した前記ストッパ層を除去する工程をさらに有する。
【0015】
前記第1絶縁膜を形成する工程の前に、前記下層配線上にエッチングのストッパとなる下層ストッパ層を形成する工程をさらに有し、前記接続孔を形成する工程において、前記下層ストッパ層を露出させる接続孔を形成し、前記配線溝側の前記接続孔の端部の径を拡げる工程の後、前記配線溝および前記接続孔を導電材料で埋め込む工程の前に、前記接続孔に露出した前記下層ストッパ層および前記配線溝に露出した前記ストッパ層を除去する工程をさらに有する。
【0016】
前記配線溝および前記接続孔を導電材料で埋め込む工程は、前記配線溝および前記接続孔を埋め込むように前記第2絶縁膜上に導電材料を堆積させる工程と、前記配線溝および前記接続孔に埋め込まれた前記導電材料を残しながら、前記第2絶縁膜上に堆積した前記導電材料を研磨により除去する工程とを有する。
【0017】
前記配線溝および前記接続孔を導電材料で埋め込む工程において、銅を含む導電材料を埋め込む。
【0018】
前記第2絶縁膜上に導電材料を堆積させる工程の前に、前記配線溝および前記接続孔の内壁面を被覆して、前記第2絶縁膜上に銅の拡散を防止するバリア膜を形成する工程をさらに有し、前記導電材料を堆積させる工程において、前記配線溝および前記接続孔を埋め込むように前記バリア膜上に銅を含む前記導電材料を堆積させ、前記導電材料を研磨により除去する工程において、前記配線溝および前記接続孔に埋め込まれた前記バリア膜および前記導電材料を残しながら、前記第2絶縁膜上に堆積した前記バリア膜および前記導電材料を研磨により除去する。
【0019】
上記の本発明の半導体装置の製造方法では、まず、第2絶縁膜、ストッパ層および第1絶縁膜をエッチングにより除去して接続孔を形成することにより、下端の面積を確保した状態の接続孔を形成しておく。
次に、ストッパ層を露出させるまで第2絶縁膜をエッチングにより除去して、第2絶縁膜に配線溝を形成する。このとき、ストッパ層はエッチングのストッパとなることから、形成される配線溝の深さのばらつきが抑制された状態で配線溝が形成される。
次に、第2絶縁膜に配線溝を形成する工程において第2絶縁膜を除去する際に実施したエッチングと同一のエッチングをさらに続けることにより、配線溝と接続孔との連結部におけるストッパ層および第1絶縁膜を削って、配線溝側の接続孔の端部の径を拡げる。これにより、接続孔の下層配線との接続面積を確保した状態で、配線溝側の接続孔の端部の径が拡がることとなる。
その後、配線溝および接続孔を導電材料で埋め込む。このとき、配線溝側の接続孔の端部の径が拡がった状態にあることから、接続孔への導電材料の埋め込みは容易となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0021】
図1は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法により製造したデュアルダマシン構造を有する半導体装置の一例を示す断面図である。
MOSトランジスタやその他の半導体素子を形成した半導体基板10上に、例えば酸化シリコンからなる下層絶縁膜11が形成されており、下層絶縁膜11には、半導体基板10に達する開口部が形成されており、当該開口部の内壁面を被覆して銅の拡散を防止するTa、Ti、TaN、TiN等からなるバリアメタル12が形成され、その内部に例えば銅等の導電層13が埋め込まれて、下層絶縁膜11に埋め込まれたバリアメタル12および導電層13により下層配線である第1層配線W1が形成されている。なお、図示はしないが、当該第1層配線W1は、半導体基板10に形成された半導体素子等と第1層コンタクトを介して接続されている。
【0022】
下層絶縁膜11および第1層配線W1上には、例えば窒化シリコン等からなる銅の拡散を防止する拡散防止膜14が形成され、当該拡散防止膜14上に、例えば酸化シリコン等からなる第1絶縁膜15が形成されている。
【0023】
第1絶縁膜15上には、例えば窒化シリコン等からなりエッチングのストッパとなるエッチングストッパ膜16が形成され、エッチングストッパ膜16上には、例えば酸化シリコン等からなる第2絶縁膜17が形成されている。
【0024】
上記の第2絶縁膜17およびエッチングストッパ膜16には、配線溝17aが形成されており、さらに、第1絶縁膜15および拡散防止膜14を貫通して第1層配線W1の上面を露出させる接続孔15aが上記配線溝17aに連通して形成されている。
【0025】
本実施形態では、第1絶縁膜15に形成された接続孔15aの径が、配線溝17a側の端部において広がった形状を有しており、当該接続孔15aへ導電材料が埋め込まれやすいようになっている。
【0026】
連通する接続孔15aおよび配線溝17aの内壁面を被覆して、例えば、銅の拡散を防止するTa、Ti、TaN、TiN等からなるバリアメタル18が形成されており、その内部に例えば銅からなる導電層19が埋め込まれて形成されている。
配線溝17aに埋め込まれたバリアメタル18および導電層19により第2層配線W2が構成されており、接続孔15aに埋め込まれたバリアメタル18および導電層19により第2層コンタクトC2が構成されている。
上記の構造において、第2層配線W2は第2層コンタクトC2を介して下層配線である第1層配線W1に接続している構成となっている。
【0027】
次に、上記構成の半導体装置の製造方法について、図2〜図8を参照して説明する。
【0028】
まず、図2(a)に到るまでの工程について説明する。
MOSトランジスタやその他の半導体素子が形成され、図示しないコンタクトが絶縁膜に埋め込まれて形成された半導体基板10上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition )法などにより酸化シリコンを堆積させ、下層絶縁膜11を形成する。
続いて、下層絶縁膜11に配線の埋め込みのための開口を形成し、当該開口内にTa、Ti、TaN、TiN等の材料を成膜してバリアメタル12を形成し、さらに、銅からなる導電層13を堆積させ、下層絶縁膜11上の余分なバリアメタル12および導電層13をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法によって除去し平坦化することにより、図2(a)に示すように、下層絶縁膜11に埋め込まれた導電層13、バリアメタル12からなる第1層配線W1が形成される。
【0029】
次に、図2(b)に示すように、下層絶縁膜11および第1層配線W1の上に、例えばCVD法により窒化シリコンを堆積させて銅の拡散を防止する拡散防止膜14を形成し、さらに、拡散防止膜14上に、例えばCVD法により酸化シリコンを堆積させ、第1絶縁膜15を形成する。このとき、第1絶縁膜15および拡散防止膜14の合計膜厚が、後に形成するコンタクトの高さとなるように形成する。
【0030】
次に、図3(c)に示すように、第1絶縁膜15上に、例えばCVD法により窒化シリコンを堆積させてエッチングストッパ膜16を形成し、さらにその上に、例えばCVD法により酸化シリコン膜を堆積させて第2絶縁膜17を形成する。このとき、第2絶縁膜17およびエッチングストッパ膜16の合計膜厚が、後に形成する配線膜厚となるように形成する。
【0031】
次に、図3(d)に示すように、第2絶縁膜17上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により、第2絶縁膜17上に接続孔のパターンに開口するレジストマスクR1をパターニング形成する。
【0032】
次に、図4(e)に示すように、レジストマスクR1をエッチングマスクとしてRIEなどのエッチングを施して、第2絶縁膜17、エッチングストッパ膜16および第1絶縁膜15を順に除去することにより、第1絶縁膜15に接続孔15bを形成する。なお、このとき、酸化シリコンからなる第2絶縁膜17のエッチング、窒化シリコンからなるエッチングストッパ膜16のエッチング、酸化シリコンからなる第1絶縁膜15のエッチングの条件をそれぞれ変えて行う。
【0033】
次に、図4(f)に示すように、接続孔のパターンに開口するレジストマスクR1を除去する。
【0034】
次に、図5(g)に示すように、再度、第2絶縁膜17上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により、第2絶縁膜17上に配線溝のパターンに開口するレジストマスクR2をパターニング形成する。
【0035】
次に、図5(h)に示すように、レジストマスクR2をエッチングマスクとして、拡散防止膜14やエッチングストッパ膜16の窒化シリコン膜に対して、選択的に酸化シリコンからなる第2絶縁膜17をエッチング除去できる条件で、酸化シリコンからなる第2絶縁膜17をエッチングすることにより、第2絶縁膜17に配線溝17aを形成する。
【0036】
次に、図6(i)に示すように、上記のエッチングをさらに続け、すなわち、エッチングを第2絶縁膜17の膜厚以上に行うことにより、接続孔15bの配線溝17a側の端部であって、図5(h)に示す工程において角部Aとなっていた部分におけるエッチングストッパ膜16が、当該エッチングの物理的なスパッタリング作用により削られ、さらに露出した角部Aにおける酸化シリコンからなる第1絶縁膜15がエッチングされることにより、配線溝17a側の端部の径が広がった接続孔15aが形成される。
なお、当該工程において、図5(h)の右側に図示するような、接続孔15bの径と、配線溝17aの幅とがほぼ同じであり配線溝17aから接続孔15bへの連結部において径の相違に伴う角部(段差部)が存在しない平坦部Bにおいては、上記の角部Aにおけるようなスパッタリング作用は起こらないことから、接続孔15aの配線溝17a側の端部は、配線溝17aの幅以上に広がってしまうことはない。
【0037】
次に、図6(j)に示すように、配線溝のパターンに開口するレジストマスクR2を除去する。
【0038】
次に、図7(k)に示すように、配線溝17aに露出した窒化シリコンからなるエッチングストッパ膜16および接続孔15aに露出した窒化シリコンからなる拡散防止膜14をエッチングにより除去することにより、配線溝17aの底部に連結し第1層配線W1を露出する接続孔15aとする。
【0039】
次に、図7(l)に示すように、接続孔15aおよび配線溝17aの内壁面を被覆して全面に、例えば、銅の拡散を防止するTa、Ti、TaN、TiN等の材料をスパッタリング法により堆積させて、バリアメタル18を形成する。
【0040】
次に、図8(m)に示すように、バリアメタル18上に、スパッタリング法、CVD法、またはメッキ法によって、接続孔15aおよび配線溝17aの内部が埋め込まれるまで、例えば銅からなる導電層19を堆積させる。なお、電解メッキにより導電層19を堆積させる場合には、スパッタリング法により、導電層19と同種の材料で図示しないシード膜を形成した後に行う。
【0041】
以降の工程としては、第2絶縁膜17上の余分な導電層19およびバリアメタル18をCMP法によって除去し平坦化して、接続孔15aおよび配線溝17a内のみに、導電層19およびバリアメタル18を残すことで、配線溝17aに埋め込まれたバリアメタル18および導電層19により第2層配線W2が形成され、接続孔15aに埋め込まれたバリアメタル18および導電層19により第2層コンタクトC2が形成される。
【0042】
なお、3層目以降の配線層を形成する場合には、図2(b)〜図8(m)の工程を繰り返し行うことにより、多層配線を形成する。以上のようにして、図1に示すデュアルダマシン構造を有する半導体装置が製造される。
【0043】
上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、図4(e)に示す工程において、接続孔のパターンに開口するレジストマスクR1をエッチングマスクとしてRIEなどのエッチングを施して、第1絶縁膜15に底面の面積を確保した状態で接続孔15bを形成した後に、図5(h)に示す配線溝17aの形成の際に、第2絶縁膜17の膜厚以上にエッチングを行うことで、接続孔15bの配線溝17a側の端部であって、角部Aとなっていたエッチングストッパ膜16がエッチング時の物理的なスパッタリング作用により削られ、露出した第1絶縁膜15がエッチングされることにより、図6(i)に示すような配線溝17a側の端部の径のみが拡がった接続孔15aを形成することができることから、接続孔15aの底面積を確保しつつ、その上部形状のみを拡げることができる。
従って、その後に堆積する導電層19の埋め込み性を向上させることができ、接続孔へのボイドの形成を防止することができる。
【0044】
図9に、図6(i)に示す工程において配線溝17aおよび接続孔15aを加工した後の上面図の一例を示す。加工後の接続孔15aは、その下端15a−1に対して、その上端15a−2の径は、配線溝17a内において広がった形状となっている。
ここで、上述したように、図9の右側に図示するような配線溝17aおよび接続孔15aにおいて、接続孔15aの径と、配線溝17aの幅とがほぼ同じ部分においては、配線溝17aから接続孔15aへの連結部において平坦部となっており、エッチング時のスパッタリング作用による形状の変化が起こらないことから、接続孔15aの配線溝17a側の端部は、配線溝17aの幅以上に広がってしまうことはない。従って、接続孔15aの上端15a−2の径が必要以上に広がってしまい、隣合う配線と短絡するといった問題はない。なお、この場合においても、配線溝17aの延伸方向においては接続孔15aの上端15a−2の径が拡がることから、接続孔15aへの導電層19の埋め込み性は向上する。
【0045】
また、本実施形態では、第2絶縁膜17および第1絶縁膜15の間にエッチングストッパ膜16を設けていることから、第2絶縁膜17が必要以上にエッチングされることを防止することができ、基板面内における配線溝17aの深さのばらつきを抑制することができることから、後にバリアメタル18および導電層19の埋め込みにより形成される配線の膜厚の均一性を向上させることができる。
【0046】
以上のように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、配線溝17aや接続孔15aの深さのばらつきを抑制しつつ、かつ、下層配線W1との接続面積を確保した状態で接続孔15aへの導電性層19の埋め込み性を向上させることができる。従って、配線幅がさらに微細化された場合においても、接続孔へのボイドの発生を抑制することができる。
【0047】
本発明の半導体装置の製造方法は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、本実施形態では、第1絶縁膜15および第2絶縁膜17に酸化シリコンを用いた例について説明したが、これに限定されるものでなく、誘電率が3.0以下のキセロゲル等の低誘電率材料を用いることもできる。
【0048】
また、本実施形態では、バリアメタル12,18の材料の一例について説明したが、これに限られるものでなく、バリアメタルとしての機能を有する種々の材料を用いることができ、また、導電層13,19として銅以外の材料を用いることも可能である。
【0049】
また、本実施形態では、銅の拡散を防止する絶縁膜からなる拡散防止膜14を配線層間に挿入して、当該拡散防止膜14を接続孔15a形成時のエッチングのストッパ層としても兼用する例について説明したが、銅の露出表面のみCoWP等の材料により選択的に無電解メッキして銅の拡散を防止するバリアメタルを形成するようにしてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【0050】
【発明の効果】
本発明によれば、配線溝や接続孔の深さのばらつきを抑制しつつ、かつ、下層配線との接続面積を確保した状態で接続孔への導電材料の埋め込み性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る半導体装置の製造方法により製造したデュアルダマシン構造を有する半導体装置の一例を示す断面図である。
【図2】本実施形態に係る半導体装置の製造において、第1絶縁膜の形成後の断面図である。
【図3】本実施形態に係る半導体装置の製造において、第2絶縁膜上へ接続孔のパターンに開口するレジストマスクの形成後の断面図である。
【図4】本実施形態に係る半導体装置の製造において、第1絶縁膜へ接続孔形成後の断面図である。
【図5】本実施形態に係る半導体装置の製造において、第2絶縁膜へ配線溝形成後の断面図である。
【図6】本実施形態に係る半導体装置の製造において、接続孔の上端の径を拡げた後の断面図である。
【図7】本実施形態に係る半導体装置の製造において、配線溝および接続孔へのバリアメタルの堆積後の断面図である。
【図8】本実施形態に係る半導体装置の製造において、配線溝および接続孔への導電層の堆積後の断面図である。
【図9】本実施形態に係る半導体装置の製造において、配線溝および接続孔を形成した後の上面図である。
【符号の説明】
10…半導体基板、11…下層絶縁膜、12…バリアメタル、13…導電層、14…拡散防止膜、15…第1絶縁膜、15a,15b…接続孔、15a−1…接続孔の下端、15a−2…接続孔の上端、16…エッチングストッパ膜、17…第2絶縁膜、17a…配線溝、18…バリアメタル、19…導電層、W1…第1層配線、W2…第2層配線、C2…第2層コンタクト、R1,R2…レジストマスク、A…角部、B…平坦部。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a dual damascene process in which, for example, a wiring groove and a connection hole are filled with a conductive material to form a wiring and a contact at the same time.
[0002]
[Prior art]
With the progress of miniaturization of LSI, the influence on the LSI performance due to the wiring resistance and the wiring capacitance is becoming a value that cannot be ignored. In a wiring structure in which aluminum (Al) is used as a wiring material and silicon oxide (SiO 2 ) is used as an interlayer insulating film, the ratio of wiring delay to the whole increases rapidly after the 0.18 μm generation.
[0003]
In order to reduce the inter-wiring capacitance and wiring resistance while suppressing the reduction in the spacing between adjacent wirings and the increase in the facing area between the wirings, the insulating material is made of a material having a lower dielectric constant than conventional silicon oxide. For example, LSIs using copper (Cu) instead of aluminum are being developed. Since copper has a lower specific resistance and a higher melting point than aluminum, it is expected to reduce wiring delay and greatly improve reliability.
[0004]
For fine wiring pattern processing, a metal layer made of aluminum has been formed on the entire surface, and an etching-resistant mask is put on this, and unnecessary metal regions are removed by etching to form a desired wiring structure. It was.
[0005]
However, in the case of copper wiring, since it is practically difficult to form a fine structure by dry etching, a method of forming a wiring groove in the insulating film in advance by etching the insulating film and embedding copper in the wiring groove, so-called damascene (Damascene) method is used. In particular, the dual damascene method, in which copper is collectively embedded after forming connection holes for connecting upper and lower wirings and wiring grooves for upper layer wirings in advance, is the center of development.
[0006]
However, in the dual damascene method, as the wiring becomes finer, it becomes difficult to embed copper in the connection hole and the wiring groove without any gap. As a result, voids are easily formed in the connection hole, resulting in poor conductivity. There is a problem that it is easy.
[0007]
In order to solve the above problems, as a dual damascene process, for example, there are techniques described in Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-229122 and 2000-299376.
[0008]
In the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-229122, the interlayer insulating film is half-etched with the pattern of the connecting hole to form the connecting hole partway through the interlayer insulating film, and then the interlayer insulating film is formed into the wiring groove pattern. Etching is performed to form a wiring groove and a connection hole reaching the lower layer wiring. At the time of etching for forming the wiring groove at this time, the end portion of the connection hole on the wiring groove side which is a corner portion is also etched so that the opening diameter of the connection hole is directed toward the wiring groove. In this way, the embedding property is improved in the embedding of the wiring material into the wiring groove and the connection hole performed thereafter.
[0009]
In the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-299376, two layers of a lower insulating film and an upper insulating film are formed. First, an opening is formed in the upper insulating film with a pattern of connection holes, and a tapered shape is formed on the lower insulating film. Then, a connection hole is formed by etching, and then a wiring groove is formed in the upper insulating film.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-229122, when the wiring groove is formed by etching, variation in the etching depth occurs in the substrate surface, and the wiring film thickness to be formed in the wiring groove later. As a result, there is a problem that the wiring resistance and the capacitance between the wirings become large.
[0011]
In the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-299376, when forming the connection hole in the lower insulating film, the etching is performed under the etching condition such that the diameter continuously decreases from the upper end to the lower end. For this reason, if the area of the lower end of the connection hole is not secured, problems such as an increase in resistance will occur. If the diameter of the upper end of the connection hole is made sufficiently large, it is possible to secure the area of the lower end of the connection hole, but there are cases where it is difficult to ensure the area of the lower end due to restrictions on the design rules. .
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to suppress the variation in the depth of the wiring groove and the connection hole and to the connection hole in a state where the connection area with the lower layer wiring is secured. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can improve the embedding property of the conductive material.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first insulating film on a lower wiring, a step of forming an etching stopper layer on the first insulating film, Forming a second insulating film on the stopper layer; removing the second insulating film, the stopper layer and the first insulating film by etching to form a connection hole; and until the stopper layer is exposed. When removing the second insulating film in the step of removing the second insulating film by etching to form a wiring groove in the second insulating film and the step of forming the wiring groove in the second insulating film. Etching that is the same as the etching performed is further continued, and the stopper layer and the first insulating film in the connecting portion between the wiring groove and the connection hole are shaved, and the diameter of the end portion of the connection hole on the wiring groove side Expand It has a degree, and a step of embedding said wiring groove and the connection hole with a conductive material.
[0014]
After the step of expanding the diameter of the end portion of the connection hole on the wiring groove side, before the step of embedding the wiring groove and the connection hole with a conductive material, a step of removing the stopper layer exposed in the wiring groove Also have.
[0015]
Before the step of forming the first insulating film, the method further includes a step of forming a lower layer stopper layer serving as an etching stopper on the lower layer wiring, and in the step of forming the connection hole, the lower layer stopper layer is exposed. After the step of forming the connection hole to be expanded and expanding the diameter of the end portion of the connection hole on the wiring groove side, before the step of embedding the wiring groove and the connection hole with a conductive material, the exposure of the connection hole The method further includes a step of removing the lower stopper layer and the stopper layer exposed in the wiring groove.
[0016]
The step of filling the wiring groove and the connection hole with a conductive material includes the step of depositing a conductive material on the second insulating film so as to fill the wiring groove and the connection hole, and the step of filling the wiring groove and the connection hole. Removing the conductive material deposited on the second insulating film by polishing while leaving the conductive material left.
[0017]
In the step of filling the wiring groove and the connection hole with a conductive material, a conductive material containing copper is embedded.
[0018]
Prior to the step of depositing a conductive material on the second insulating film, a barrier film is formed on the second insulating film to cover the inner surfaces of the wiring grooves and the connection holes and prevent copper diffusion. And further comprising a step of depositing the conductive material containing copper on the barrier film so as to fill the wiring trench and the connection hole, and removing the conductive material by polishing. The barrier film and the conductive material deposited on the second insulating film are removed by polishing while leaving the barrier film and the conductive material buried in the wiring trench and the connection hole.
[0019]
In the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention, first, the connection hole in a state where the area of the lower end is secured by forming the connection hole by removing the second insulating film, the stopper layer, and the first insulating film by etching. Is formed.
Next, the second insulating film is removed by etching until the stopper layer is exposed, and a wiring groove is formed in the second insulating film. At this time, since the stopper layer serves as an etching stopper, the wiring groove is formed in a state where variation in the depth of the wiring groove to be formed is suppressed.
Next, by continuing the same etching as the etching performed when removing the second insulating film in the step of forming the wiring groove in the second insulating film, the stopper layer at the connecting portion between the wiring groove and the connecting hole, and The first insulating film is shaved to increase the diameter of the end of the connection hole on the wiring groove side. Thereby, the diameter of the edge part of the connection hole by the side of a wiring groove will expand in the state which ensured the connection area with the lower layer wiring of a connection hole.
Thereafter, the wiring groove and the connection hole are filled with a conductive material. At this time, since the diameter of the end portion of the connection hole on the wiring groove side is expanded, it is easy to embed the conductive material in the connection hole.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor device having a dual damascene structure manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to this embodiment.
A lower insulating film 11 made of, for example, silicon oxide is formed on a semiconductor substrate 10 on which a MOS transistor or other semiconductor element is formed. An opening reaching the semiconductor substrate 10 is formed in the lower insulating film 11. A barrier metal 12 made of Ta, Ti, TaN, TiN or the like that covers the inner wall surface of the opening to prevent diffusion of copper is formed, and a conductive layer 13 such as copper is embedded therein, The barrier metal 12 and the conductive layer 13 embedded in the insulating film 11 form a first layer wiring W1 which is a lower layer wiring. Although not shown, the first layer wiring W1 is connected to a semiconductor element or the like formed on the semiconductor substrate 10 via a first layer contact.
[0022]
On the lower insulating film 11 and the first layer wiring W1, a diffusion preventing film 14 for preventing diffusion of copper made of, for example, silicon nitride is formed, and on the diffusion preventing film 14, a first made of, for example, silicon oxide or the like is formed. An insulating film 15 is formed.
[0023]
An etching stopper film 16 made of, for example, silicon nitride or the like is formed on the first insulating film 15, and a second insulating film 17 made of, for example, silicon oxide or the like is formed on the etching stopper film 16. ing.
[0024]
A wiring groove 17a is formed in the second insulating film 17 and the etching stopper film 16, and the upper surface of the first layer wiring W1 is exposed through the first insulating film 15 and the diffusion prevention film 14. A connection hole 15a is formed in communication with the wiring groove 17a.
[0025]
In the present embodiment, the diameter of the connection hole 15a formed in the first insulating film 15 has a shape that widens at the end on the wiring groove 17a side so that the conductive material can be easily embedded in the connection hole 15a. It has become.
[0026]
A barrier metal 18 made of, for example, Ta, Ti, TaN, TiN or the like that prevents diffusion of copper is formed so as to cover the inner wall surfaces of the connection hole 15a and the wiring groove 17a that communicate with each other. A conductive layer 19 is embedded and formed.
A second layer wiring W2 is constituted by the barrier metal 18 and the conductive layer 19 buried in the wiring groove 17a, and a second layer contact C2 is constituted by the barrier metal 18 and the conductive layer 19 buried in the connection hole 15a. Yes.
In the above structure, the second layer wiring W2 is connected to the first layer wiring W1 which is the lower layer wiring through the second layer contact C2.
[0027]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device having the above configuration will be described with reference to FIGS.
[0028]
First, steps up to FIG. 2A will be described.
On the semiconductor substrate 10 on which a MOS transistor or other semiconductor element is formed and contacts (not shown) are embedded in the insulating film, silicon oxide is deposited by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and the lower insulating film 11 Form.
Subsequently, an opening for embedding wiring is formed in the lower insulating film 11, a material such as Ta, Ti, TaN, TiN is formed in the opening to form a barrier metal 12, and further made of copper. The conductive layer 13 is deposited, and the excess barrier metal 12 and the conductive layer 13 on the lower insulating film 11 are removed and planarized by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, thereby forming a lower layer as shown in FIG. A first layer wiring W1 made of the conductive layer 13 and the barrier metal 12 embedded in the insulating film 11 is formed.
[0029]
Next, as shown in FIG. 2B, a diffusion preventing film 14 for preventing diffusion of copper is formed on the lower insulating film 11 and the first layer wiring W1 by depositing silicon nitride, for example, by a CVD method. Further, silicon oxide is deposited on the diffusion prevention film 14 by, for example, a CVD method to form the first insulating film 15. At this time, the first insulating film 15 and the diffusion prevention film 14 are formed so that the total film thickness becomes the height of a contact to be formed later.
[0030]
Next, as shown in FIG. 3C, silicon nitride is deposited on the first insulating film 15 by, for example, a CVD method to form an etching stopper film 16, and further, silicon oxide is formed thereon by, for example, the CVD method. A second insulating film 17 is formed by depositing the film. At this time, the total film thickness of the second insulating film 17 and the etching stopper film 16 is formed to be a wiring film thickness to be formed later.
[0031]
Next, as shown in FIG. 3D, a resist is applied on the second insulating film 17, and a resist mask R1 is formed on the second insulating film 17 in a pattern of connection holes by photolithography. To do.
[0032]
Next, as shown in FIG. 4E, by performing etching such as RIE using the resist mask R1 as an etching mask, the second insulating film 17, the etching stopper film 16, and the first insulating film 15 are sequentially removed. Then, a connection hole 15 b is formed in the first insulating film 15. At this time, the etching conditions of the second insulating film 17 made of silicon oxide, the etching stopper film 16 made of silicon nitride, and the etching of the first insulating film 15 made of silicon oxide are changed.
[0033]
Next, as shown in FIG. 4F, the resist mask R1 opening in the connection hole pattern is removed.
[0034]
Next, as shown in FIG. 5G, a resist is again applied on the second insulating film 17, and a resist mask R2 that opens in the pattern of the wiring trench is formed on the second insulating film 17 by photolithography. Patterning is formed.
[0035]
Next, as shown in FIG. 5H, the second insulating film 17 made of silicon oxide selectively with respect to the silicon nitride film of the diffusion prevention film 14 and the etching stopper film 16 using the resist mask R2 as an etching mask. By etching the second insulating film 17 made of silicon oxide under the condition that can be removed by etching, a wiring groove 17 a is formed in the second insulating film 17.
[0036]
Next, as shown in FIG. 6I, the above etching is further continued, that is, the etching is performed to the thickness of the second insulating film 17 or more, so that the end of the connection hole 15b on the wiring groove 17a side. Then, the etching stopper film 16 in the portion which has become the corner portion A in the step shown in FIG. 5H is shaved by the physical sputtering action of the etching, and further made of silicon oxide in the exposed corner portion A. By etching the first insulating film 15, a connection hole 15 a in which the diameter of the end portion on the wiring groove 17 a side is widened is formed.
In this process, the diameter of the connection hole 15b and the width of the wiring groove 17a as shown on the right side of FIG. 5 (h) are substantially the same, and the diameter at the connecting portion from the wiring groove 17a to the connection hole 15b. In the flat portion B where there is no corner (stepped portion) due to the difference of the above, since the sputtering action does not occur as in the corner A, the end of the connection hole 15a on the wiring groove 17a side is the wiring groove. It does not spread beyond the width of 17a.
[0037]
Next, as shown in FIG. 6J, the resist mask R2 opening in the wiring groove pattern is removed.
[0038]
Next, as shown in FIG. 7 (k), the etching stopper film 16 made of silicon nitride exposed in the wiring groove 17a and the diffusion prevention film 14 made of silicon nitride exposed in the connection hole 15a are removed by etching. The connecting hole 15a is connected to the bottom of the wiring groove 17a to expose the first layer wiring W1.
[0039]
Next, as shown in FIG. 7L, the inner wall surfaces of the connection holes 15a and the wiring grooves 17a are covered, and a material such as Ta, Ti, TaN, or TiN that prevents copper diffusion is sputtered over the entire surface. The barrier metal 18 is formed by depositing by the method.
[0040]
Next, as shown in FIG. 8 (m), a conductive layer made of, for example, copper is formed on the barrier metal 18 until the inside of the connection hole 15a and the wiring groove 17a is buried by sputtering, CVD, or plating. 19 is deposited. Note that the conductive layer 19 is deposited by electrolytic plating after forming a seed film (not shown) with the same material as the conductive layer 19 by sputtering.
[0041]
As a subsequent process, the excess conductive layer 19 and the barrier metal 18 on the second insulating film 17 are removed and planarized by the CMP method, and the conductive layer 19 and the barrier metal 18 are only in the connection hole 15a and the wiring groove 17a. As a result, the second layer wiring W2 is formed by the barrier metal 18 and the conductive layer 19 embedded in the wiring groove 17a, and the second layer contact C2 is formed by the barrier metal 18 and the conductive layer 19 embedded in the connection hole 15a. It is formed.
[0042]
When forming the third and subsequent wiring layers, the multilayer wiring is formed by repeating the steps of FIGS. 2B to 8M. As described above, the semiconductor device having the dual damascene structure shown in FIG. 1 is manufactured.
[0043]
According to the manufacturing method of the semiconductor device according to the above-described embodiment, in the step shown in FIG. 4E, etching such as RIE is performed using the resist mask R1 opening in the connection hole pattern as an etching mask. After forming the connection hole 15b with the bottom surface area secured in the insulating film 15, the wiring groove 17a shown in FIG. 5 (h) is etched to a thickness greater than that of the second insulating film 17. Then, the etching stopper film 16 which is the end portion of the connection hole 15b on the wiring groove 17a side and is the corner A is shaved by a physical sputtering action at the time of etching, and the exposed first insulating film 15 is etched. As a result, it is possible to form the connection hole 15a in which only the diameter of the end portion on the wiring groove 17a side as shown in FIG. 6 (i) is expanded, so that the bottom area of the connection hole 15a is ensured. While, it is possible to expand only the upper shape.
Therefore, the embedding property of the conductive layer 19 deposited thereafter can be improved, and the formation of voids in the connection holes can be prevented.
[0044]
FIG. 9 shows an example of a top view after the wiring groove 17a and the connection hole 15a are processed in the step shown in FIG. 6 (i). The processed connection hole 15a has a shape in which the diameter of the upper end 15a-2 is expanded in the wiring groove 17a with respect to the lower end 15a-1.
Here, as described above, in the wiring groove 17a and the connection hole 15a as shown on the right side of FIG. 9, in the portion where the diameter of the connection hole 15a and the width of the wiring groove 17a are substantially the same, the wiring groove 17a Since the connecting portion to the connection hole 15a is a flat portion and the shape does not change due to the sputtering action during etching, the end of the connection hole 15a on the wiring groove 17a side is larger than the width of the wiring groove 17a. It won't spread. Therefore, there is no problem that the diameter of the upper end 15a-2 of the connection hole 15a is unnecessarily widened and short-circuited with the adjacent wiring. Even in this case, since the diameter of the upper end 15a-2 of the connection hole 15a increases in the extending direction of the wiring groove 17a, the embedding property of the conductive layer 19 in the connection hole 15a is improved.
[0045]
In the present embodiment, since the etching stopper film 16 is provided between the second insulating film 17 and the first insulating film 15, the second insulating film 17 can be prevented from being etched more than necessary. In addition, since variation in the depth of the wiring groove 17a in the substrate surface can be suppressed, it is possible to improve the uniformity of the film thickness of wiring formed later by embedding the barrier metal 18 and the conductive layer 19.
[0046]
As described above, according to the manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment, the variation in the depth of the wiring groove 17a and the connection hole 15a is suppressed, and the connection area with the lower layer wiring W1 is secured. The embedding property of the conductive layer 19 in the connection hole 15a can be improved. Therefore, even when the wiring width is further reduced, the generation of voids in the connection holes can be suppressed.
[0047]
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is not limited to the description of the above embodiment.
For example, in the present embodiment, an example in which silicon oxide is used for the first insulating film 15 and the second insulating film 17 has been described. However, the present invention is not limited to this, and a xerogel having a dielectric constant of 3.0 or less is used. A low dielectric constant material can also be used.
[0048]
In the present embodiment, an example of the material of the barrier metals 12 and 18 has been described. However, the present invention is not limited to this, and various materials having a function as a barrier metal can be used. , 19 can be made of a material other than copper.
[0049]
In this embodiment, the diffusion prevention film 14 made of an insulating film for preventing copper diffusion is inserted between the wiring layers, and the diffusion prevention film 14 is also used as an etching stopper layer when the connection hole 15a is formed. However, only the exposed surface of copper may be selectively electrolessly plated with a material such as CoWP to form a barrier metal that prevents copper diffusion.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0050]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to improve the embedding property of the conductive material in the connection hole while suppressing the variation in the depth of the wiring groove and the connection hole and securing the connection area with the lower layer wiring.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor device having a dual damascene structure manufactured by a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view after forming a first insulating film in the manufacture of the semiconductor device according to the embodiment;
FIG. 3 is a cross-sectional view after forming a resist mask opening in a pattern of connection holes on the second insulating film in the manufacture of the semiconductor device according to the embodiment;
FIG. 4 is a cross-sectional view after forming a connection hole in the first insulating film in manufacturing the semiconductor device according to the embodiment;
FIG. 5 is a cross-sectional view after forming a wiring trench in the second insulating film in manufacturing the semiconductor device according to the embodiment;
6 is a cross-sectional view after enlarging the diameter of the upper end of the connection hole in the manufacture of the semiconductor device according to the embodiment. FIG.
7 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment after deposition of barrier metal in the wiring trench and the connection hole in the manufacturing process.
8 is a cross-sectional view after the conductive layer is deposited in the wiring groove and the connection hole in the manufacture of the semiconductor device according to the embodiment. FIG.
FIG. 9 is a top view after formation of wiring grooves and connection holes in the manufacture of the semiconductor device according to the embodiment;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor substrate, 11 ... Lower layer insulating film, 12 ... Barrier metal, 13 ... Conductive layer, 14 ... Diffusion prevention film, 15 ... 1st insulating film, 15a, 15b ... Connection hole, 15a-1 ... Lower end of connection hole, 15a-2 ... upper end of connection hole, 16 ... etching stopper film, 17 ... second insulating film, 17a ... wiring groove, 18 ... barrier metal, 19 ... conductive layer, W1 ... first layer wiring, W2 ... second layer wiring , C2 ... second layer contact, R1, R2 ... resist mask, A ... corner, B ... flat part.

Claims (6)

下層配線上に第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜上にエッチングのストッパ層を形成する工程と、
前記ストッパ層上に第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜、前記ストッパ層および前記第1絶縁膜をエッチングにより除去して接続孔を形成する工程と、
前記ストッパ層を露出させるまで前記第2絶縁膜をエッチングにより除去して、前記第2絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
前記第2絶縁膜に配線溝を形成する工程において前記第2絶縁膜を除去する際に実施したエッチングと同一のエッチングをさらに続けて、前記配線溝と前記接続孔との連結部における前記ストッパ層および前記第1絶縁膜を削って、前記配線溝側の前記接続孔の端部の径を拡げる工程と、
前記配線溝および前記接続孔を導電材料で埋め込む工程と
を有する半導体装置の製造方法。
Forming a first insulating film on the lower wiring;
Forming an etching stopper layer on the first insulating film;
Forming a second insulating film on the stopper layer;
Removing the second insulating film, the stopper layer and the first insulating film by etching to form a connection hole;
Removing the second insulating film by etching until the stopper layer is exposed, and forming a wiring groove in the second insulating film;
The stopper layer at the connecting portion between the wiring groove and the connection hole is further continued by performing the same etching as that performed when removing the second insulating film in the step of forming the wiring groove in the second insulating film. And scraping the first insulating film to expand the diameter of the end of the connection hole on the wiring groove side,
And a step of filling the wiring groove and the connection hole with a conductive material.
前記配線溝側の前記接続孔の端部の径を拡げる工程の後、前記配線溝および前記接続孔を導電材料で埋め込む工程の前に、前記配線溝に露出した前記ストッパ層を除去する工程をさらに有する
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
After the step of expanding the diameter of the end portion of the connection hole on the wiring groove side, before the step of embedding the wiring groove and the connection hole with a conductive material, a step of removing the stopper layer exposed in the wiring groove The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising:
前記第1絶縁膜を形成する工程の前に、前記下層配線上にエッチングのストッパとなる下層ストッパ層を形成する工程をさらに有し、
前記接続孔を形成する工程において、前記下層ストッパ層を露出させる接続孔を形成し、
前記配線溝側の前記接続孔の端部の径を拡げる工程の後、前記配線溝および前記接続孔を導電材料で埋め込む工程の前に、前記接続孔に露出した前記下層ストッパ層および前記配線溝に露出した前記ストッパ層を除去する工程をさらに有する
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
Before the step of forming the first insulating film, further comprising a step of forming a lower layer stopper layer serving as an etching stopper on the lower layer wiring,
In the step of forming the connection hole, a connection hole that exposes the lower stopper layer is formed,
After the step of expanding the diameter of the end portion of the connection hole on the wiring groove side, before the step of embedding the wiring groove and the connection hole with a conductive material, the lower layer stopper layer and the wiring groove exposed in the connection hole The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of removing the stopper layer exposed to the surface.
前記配線溝および前記接続孔を導電材料で埋め込む工程は、
前記配線溝および前記接続孔を埋め込むように前記第2絶縁膜上に導電材料を堆積させる工程と、
前記配線溝および前記接続孔に埋め込まれた前記導電材料を残しながら、前記第2絶縁膜上に堆積した前記導電材料を研磨により除去する工程と
を有する請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The step of embedding the wiring groove and the connection hole with a conductive material,
Depositing a conductive material on the second insulating film so as to fill the wiring trench and the connection hole;
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of removing the conductive material deposited on the second insulating film by polishing while leaving the conductive material embedded in the wiring trench and the connection hole.
前記配線溝および前記接続孔を導電材料で埋め込む工程において、銅を含む導電材料を埋め込む
請求項4記載の半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein in the step of filling the wiring groove and the connection hole with a conductive material, a conductive material containing copper is embedded.
前記第2絶縁膜上に導電材料を堆積させる工程の前に、前記配線溝および前記接続孔の内壁面を被覆して、前記第2絶縁膜上に銅の拡散を防止するバリア膜を形成する工程をさらに有し、
前記導電材料を堆積させる工程において、前記配線溝および前記接続孔を埋め込むように前記バリア膜上に銅を含む前記導電材料を堆積させ、
前記導電材料を研磨により除去する工程において、前記配線溝および前記接続孔に埋め込まれた前記バリア膜および前記導電材料を残しながら、前記第2絶縁膜上に堆積した前記バリア膜および前記導電材料を研磨により除去する
請求項5記載の半導体装置の製造方法。
Prior to the step of depositing a conductive material on the second insulating film, a barrier film is formed on the second insulating film to cover the inner surfaces of the wiring grooves and the connection holes and prevent copper diffusion. And further comprising a step,
In the step of depositing the conductive material, the conductive material containing copper is deposited on the barrier film so as to fill the wiring trench and the connection hole,
In the step of removing the conductive material by polishing, the barrier film and the conductive material deposited on the second insulating film while leaving the barrier film and the conductive material embedded in the wiring trench and the connection hole are removed. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the semiconductor device is removed by polishing.
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