JP4302663B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、下地膜の上にバリアメタル膜を介して低抵抗金属膜を形成する工程を含む半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including a step of forming a low-resistance metal film on a base film via a barrier metal film.
近年の半導体装置の高速化、大容量化の要求に伴い、金属配線部の配線抵抗・配線容量の削減が要求されている。このため、銅や銅合金を主導電層とする金属配線及び接続孔が開発されているが、さらなる改良が必要となっている。 With the recent demand for higher speed and larger capacity of semiconductor devices, reduction of wiring resistance and wiring capacity of metal wiring portions is required. For this reason, metal wiring and connection holes having copper or copper alloy as the main conductive layer have been developed, but further improvements are required.
従来の銅や銅合金を主導電層とする金属配線を形成する方法の一つとして、いわゆるダマシン(damascene) 法が知られている。そのような技術は、例えばC.W.Kaanta et.al, VMIC Conf. Proc.8, P.144 (1991) に記載がある。 A so-called damascene method is known as one of conventional methods for forming a metal wiring having copper or a copper alloy as a main conductive layer. Such a technique is described in, for example, C.W.Kaanta et.al, VMIC Conf. Proc. 8, P. 144 (1991).
ダマシン法とは、基板の上に絶縁膜を成長し、その絶縁膜に配線溝又は接続孔を形成した後に、その絶縁膜上面と配線溝又は接続孔内に金属膜を形成し、ついで化学機械研磨(CMP(chemical mechanical polishing) 法により金属膜を絶縁膜の上面から除去するといった工程を経て配線溝又は接続孔の中に金属配線又はプラグを形成する方法である。 In the damascene method, an insulating film is grown on a substrate, a wiring groove or connection hole is formed in the insulating film, a metal film is then formed on the upper surface of the insulating film and in the wiring groove or connection hole, and then chemical mechanical In this method, a metal wiring or a plug is formed in the wiring groove or the connection hole through a process of removing the metal film from the upper surface of the insulating film by polishing (CMP (chemical mechanical polishing) method).
次に、従来のダマシン法を図1に基づいてさらに具体的に説明する。 Next, the conventional damascene method will be described more specifically with reference to FIG.
まず、図1(a) に示すように、下側配線101の上に膜厚400nmのシリコン酸化膜102をCVD法により成長し、その上に反射防止膜として膜厚50nmのシリコン窒化膜103を形成する。その後に、図1(b) に示すように、通常のフォトリソグラフィーとエッチング法により配線溝104a又は接続孔104bを形成する。
First, as shown in FIG. 1A, a
続いて、図1(c) に示すように、配線溝104a又は接続孔104bの内面とシリコン酸化膜102の上面にバリアメタル膜105を形成する。バリアメタル膜105として例えば膜厚50nmの窒化チタン(TiN )膜又は膜厚50nmのβ相タンタル膜をスパッタリングにより形成する。さらに、バリアメタル膜105の上に膜厚800nmの銅膜106をスパッタリングにより形成する。そして、400℃で3分間の真空アニールを行って銅膜106を配線溝104a又は接続孔104b内に完全に埋め込む。
Subsequently, as shown in FIG. 1C, a
最後に、図1(d) に示すように、CMP法によりシリコン窒化膜103の上面から銅膜106とバリアメタル膜105を除去する。そして、配線溝104a内に残った銅膜105を配線として使用し、又は、接続孔104b内に残った銅膜106をプラグとして使用する。その化学機械的研磨の際には、アルミナなどの粉末と金属を溶かす酸などの化学溶剤を含む研磨剤が用いられる。
Finally, as shown in FIG. 1D, the
上記したシリコン窒化膜103よりなる反射防止膜は、シリコン酸化膜102上に形成されるレジストを露光する際に露光光の反射を防止してレジストの露光精度を高めるために必要となる。
The antireflection film made of the
反射防止膜としては、上記したようにシリコン窒化膜を用いるのが一般的である。しかし、シリコン窒化膜は比誘電率が高く、上下の配線によって生じる寄生容量を増加させて信号の遅延時間を増加させるという問題がある。 As described above, a silicon nitride film is generally used as the antireflection film. However, the silicon nitride film has a high relative dielectric constant, and there is a problem in that the parasitic capacitance generated by the upper and lower wirings is increased to increase the signal delay time.
また、銅はシリコン基板やシリコン酸化膜中で拡散が速いことが知られ、そのことについてはE. R. Weber, Appl. Phys. A30, 1 (1983)に記載がある。このような銅の拡散を防止するために上記したバリアメタル膜105が用いられる。バリアメタルの必要性については、例えばT. Kouno et.al, J. Electrochem. Soc, 145, 2164 (1998) に記載がある。
Copper is known to diffuse quickly in silicon substrates and silicon oxide films, and this is described in E. R. Weber, Appl. Phys. A30, 1 (1983). The
バリアメタル膜に要求される主な特性は以下の3つである。 The main characteristics required for the barrier metal film are the following three.
第1に比抵抗が低いことであり、第2に拡散バリア性能に優れていることであり、第3に研磨レートが速いことである。 First, the specific resistance is low, second, the diffusion barrier performance is excellent, and third, the polishing rate is fast.
即ち、比抵抗が高いバリアメタルを用いると配線抵抗が高くなり、配線での信号遅延時間を増加させてしまう。また、バリアメタルの拡散バリア性能が劣っている場合には、銅がシリコン酸化膜中に拡散してしまい、半導体素子性能が劣化してしまう。さらに、研磨レートが遅い場合には、図2に示すように絶縁膜103上でバリアメタル膜105が完全には除去されずに残ってしまい、絶縁膜上で配線同士がショートする可能性がある。
That is, if a barrier metal having a high specific resistance is used, the wiring resistance increases and the signal delay time in the wiring increases. Further, when the diffusion barrier performance of the barrier metal is inferior, copper diffuses into the silicon oxide film and the semiconductor element performance is deteriorated. Further, when the polishing rate is slow, as shown in FIG. 2, the
バリアメタル膜に用いられる窒化チタン膜(TiN) 、β相タンタル膜(βTa)、α相タンタル膜(αTa)、タンタル含有率の高い窒化タンタル膜(Ta-rich TaN)、窒素含有率の高い窒化タンタル(N-rich TaN)のそれぞれについての比抵抗、拡散バリア性能、CMPレートは表1のようである。 Titanium nitride film (TiN), β-phase tantalum film (βTa), α-phase tantalum film (αTa), tantalum nitride film with high tantalum content (Ta-rich TaN), and nitridation with high nitrogen content Table 1 shows the specific resistance, diffusion barrier performance, and CMP rate for each of tantalum (N-rich TaN).
なお、表1において拡散バリア性能の優劣は、「Cu配線技術の最新の展開」リアライズ社第172頁(1998)に基づいてまとめた値である。 In Table 1, the superiority or inferiority of the diffusion barrier performance is a value summarized based on “Latest Development of Cu Wiring Technology”, page 172 of Realize (1998).
表1によれば、TiN は低抵抗であってCMPレートは速いが拡散バリア性能が十分ではない。βTa、αTa、Ta-rich TaNはともに低抵抗であって比較的拡散バリア性能は良いがCMPレートは遅く、酸によって腐食し難い。また、N-rich TaNはCMPレートが速くて拡散バリア性能はよいが比抵抗は高い。 According to Table 1, TiN has a low resistance and a high CMP rate, but the diffusion barrier performance is not sufficient. βTa, αTa, and Ta-rich TaN all have low resistance and relatively good diffusion barrier performance, but have a slow CMP rate and are not easily corroded by acid. N-rich TaN has a high CMP rate and good diffusion barrier performance, but high specific resistance.
また、研磨速度の遅いバリアメタル膜を絶縁膜上で過剰に研磨すると、バリアメタル膜の研磨速度が銅膜の研磨速度よりも遅い場合には、図3に示すように、配線溝104又は接続孔104b内の銅膜106が沈み込むリセスと呼ばれる不具合を生じる。例えばタンタルの研磨速度が銅の研磨速度の1/5であるとすると、50nmの厚さのタンタル膜を除去するときに250nmの銅膜の沈み込みを避けることはできない。
In addition, when the barrier metal film having a low polishing rate is excessively polished on the insulating film, if the polishing rate of the barrier metal film is lower than the polishing rate of the copper film, as shown in FIG. There arises a problem called a recess in which the
これらのことから、バリアメタル膜として必要な特性である3つの条件を全て備えた単層のバリアメタルの開発は容易でないことがわかる。 From these facts, it can be seen that it is not easy to develop a single-layer barrier metal having all three conditions which are necessary characteristics as a barrier metal film.
また、特開平7-283219号公報には、チタン、窒化チタン、タンタルの3層構造からバリアメタルを構成することが開示されている。しかし、配線溝又は接続孔の中に占めるバリアメタルの膜厚の割合が大きくなると、配線溝又は接続孔内に占める銅膜の割合が相対的に減少して、比抵抗値が高くなってしまう。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-283219 discloses that a barrier metal is composed of a three-layer structure of titanium, titanium nitride, and tantalum. However, when the ratio of the thickness of the barrier metal film in the wiring groove or the connection hole is increased, the ratio of the copper film in the wiring groove or the connection hole is relatively decreased and the specific resistance value is increased. .
本発明の目的は、配線溝又は接続孔内の比抵抗が低く、その中に埋め込まれる銅に対する拡散バリア性能に優れ、配線溝又は接続孔が形成される絶縁膜上での研磨残りを防止することができ、又は、絶縁膜上でのバリアメタルの研磨の際に配線溝又は接続孔内に導電膜のリセスの発生を防止す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。 It is an object of the present invention to have a low specific resistance in a wiring groove or connection hole, excellent diffusion barrier performance for copper embedded therein, and prevent polishing residue on an insulating film in which the wiring groove or connection hole is formed. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can prevent a conductive film from being recessed in a wiring groove or a connection hole when polishing a barrier metal on an insulating film.
上記した課題は、図9〜図11に例示するように、絶縁膜25の上に第1の高融点金属又は第1の高融点金属窒化物よりなる第1の膜26を形成する工程と、前記第1の膜26と前記絶縁膜25に配線溝又は接続孔28を形成する工程と、前記配線溝又は前記接続孔28の内面と前記第1の膜26の上面に、前記第1の高融点金属若しくは前記第1の高融点金属窒化物よりも化学機械的研磨による研磨速度が遅い第2の高融点金属又は第2の高融点金属窒化物よりなる第2の膜29を形成する工程と、前記第2の膜29の上に銅膜30又は銅含有合金膜を形成する工程と、前記銅膜30又は銅含有合金膜と前記第1の膜26と前記第2の膜29を、前記配線溝又は前記接続孔28以外の前記絶縁膜25の上面から前記化学機械的研磨により除去する工程とを有し、前記第2の高融点金属はβ相のタンタル、α相のタンタルであり、前記第2の高融点金属窒化物は窒素がタンタルよりも少ない組成比を有する窒化タンタルであることを特徴とする半導体装置の製造方法によって解決される。
The above-described problem is, as illustrated in FIGS. 9 to 11, the step of forming the
なお、上記した図番、符号は、発明の理解を容易にするために引用したものであって、本発明はそれらに限定されるものではない。 In addition, the above-mentioned figure number and code | symbol were quoted in order to make an understanding of invention easy, and this invention is not limited to them.
次に、本発明の作用について説明する。 Next, the operation of the present invention will be described.
本発明によれば、第1の高融点金属又は第1の高融点金属窒化物よりなる第1の膜を絶縁膜の上に形成した後に、第1の膜と絶縁膜に配線溝又は接続孔を形成し、その後に、配線溝又は接続孔の内面と第1の膜の上面に第2の高融点金属又は第2の高融点金属窒化物よりなる第2の膜を形成し、第2の膜の上に銅膜又は銅含有合金よりなる主導体膜を形成し、その後に主導体膜と第1の膜と第2の膜を配線溝又は接続孔以外の絶縁膜の上面から除去するようにしている。 According to the present invention, the first film made of the first refractory metal or the first refractory metal nitride is formed on the insulating film, and then the wiring groove or the connection hole is formed in the first film and the insulating film. After that, a second film made of the second refractory metal or the second refractory metal nitride is formed on the inner surface of the wiring groove or the connection hole and the upper surface of the first film, and the second film A main conductor film made of a copper film or a copper-containing alloy is formed on the film, and then the main conductor film, the first film, and the second film are removed from the upper surface of the insulating film other than the wiring groove or the connection hole. I have to.
この場合、第1の膜は第2の膜に比べて研磨速度が速いものが望ましい。研磨速度が速いものであれば、絶縁膜の上に金属又は金属窒化物が完全に除去されずに残ることが防止される。しかも、第1の膜が配線溝又は接続孔の中に残らずに単層の第2の膜がバリアメタルとして配線溝又は接続孔の中に残るので、バリアメタルが配線溝又は接続孔内の主導電膜の占有率を低下させることが無くなる。 In this case, it is desirable that the first film has a higher polishing rate than the second film. If the polishing rate is high, the metal or metal nitride is prevented from remaining on the insulating film without being completely removed. In addition, since the first film does not remain in the wiring groove or the connection hole but the second film of the single layer remains as a barrier metal in the wiring groove or the connection hole, the barrier metal remains in the wiring groove or the connection hole. The occupation ratio of the main conductive film is not reduced.
この場合、第1の膜は、配線溝又は接続孔を形成するためのフォトリソグラフィー法の際に反射防止膜として機能する材料から構成することが好ましい。これにより、反射防止膜として絶縁膜上に窒化シリコン膜を形成する必要が無くなり配線間容量の増加が防止される。 In this case, the first film is preferably made of a material that functions as an antireflection film in the photolithography method for forming the wiring groove or the connection hole. This eliminates the need to form a silicon nitride film on the insulating film as an antireflection film, thereby preventing an increase in inter-wiring capacitance.
なお、高融点金属又は高融点金属窒化物よりなる第2の膜は、低抵抗で拡散バリア性能が高い材料から構成することが好ましく、研磨速度は高いことは問わない。 Note that the second film made of a refractory metal or a refractory metal nitride is preferably made of a material having a low resistance and a high diffusion barrier performance, and it does not matter if the polishing rate is high.
以上述べたように本発明によれば、第1の高融点金属又は第1の高融点金属窒化物よりなる第1の膜を絶縁膜の上に形成した後に、第1の膜と絶縁膜に配線溝又は接続孔を形成し、その後に、配線溝又は接続孔の内面と第1の膜の上面に第2の高融点金属又は第2の高融点金属窒化物よりなる第2の膜を形成し、第2の膜の上に銅膜又は銅含有合金よりなる主導電膜を形成し、その後に主導電膜と第1の膜と第2の膜を配線溝又は接続孔以外の絶縁膜の上面から除去する工程を含み、第2の膜に比べて研磨速度が速い材料から第1の膜を構成するようにしたので、絶縁膜の上に金属又は金属窒化物が完全に除去されずに残ることを防止することができる。 As described above, according to the present invention, after the first film made of the first refractory metal or the first refractory metal nitride is formed on the insulating film, the first film and the insulating film are formed. A wiring groove or a connection hole is formed, and then a second film made of a second refractory metal or a second refractory metal nitride is formed on the inner surface of the wiring groove or the connection hole and the upper surface of the first film. Then, a main conductive film made of a copper film or a copper-containing alloy is formed on the second film, and then the main conductive film, the first film, and the second film are formed on an insulating film other than a wiring groove or a connection hole. Since the first film includes the step of removing from the upper surface and the polishing rate is higher than that of the second film, the metal or metal nitride is not completely removed on the insulating film. It can be prevented from remaining.
しかも、第1の膜が配線溝又は接続孔の中に残らずに単層の第2の膜がバリアメタルとして配線溝又は接続孔の中に残るようにしたので、バリアメタルが配線溝又は接続孔内の主導電膜の占有率を低下させることを防止できる。 In addition, since the first film does not remain in the wiring groove or the connection hole but the single-layer second film remains in the wiring groove or the connection hole as a barrier metal, the barrier metal is connected to the wiring groove or the connection hole. It is possible to prevent a decrease in the occupation ratio of the main conductive film in the hole.
この場合、第1の膜は、配線溝又は接続孔を形成するためのフォトリソグラフィー法の際に反射防止膜として機能する材料から構成するようにしたので、反射防止膜として絶縁膜上に窒化シリコン膜を形成する必要が無くなり配線間容量の増加を防止できる。 In this case, since the first film is made of a material that functions as an antireflection film in the photolithography method for forming the wiring groove or the connection hole, silicon nitride is formed on the insulating film as the antireflection film. It is not necessary to form a film, and an increase in capacitance between wirings can be prevented.
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態の説明)
図4〜図7は、本発明の第1の実施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。
(Description of First Embodiment)
4 to 7 are cross-sectional views showing the manufacturing steps of the semiconductor device showing the first embodiment of the present invention.
まず、図4(a) に示すような状態になるまでの工程を説明する。 First, steps required until a state as shown in FIG.
図4(a)において、シリコン基板(半導体基板)1のうちフィールド酸化膜2で囲まれた領域にMOSトランジスタ3を形成する。MOSトランジスタ3は、シリコン基板1の上にゲート酸化膜3aを介して形成されたゲート電極3bと、ゲート電極3bの両側方のシリコン基板1内に形成された第1及び第2の不純物拡散層3d、3sを有している。また、MOSトランジスタ3はSiO2よりなる第1の層間絶縁膜4によって覆われている。
4A, a
第1の層間絶縁膜4のうち第1の不純物拡散層3dの上の領域にはコンタクトホール5が形成され、そのコンタクトホール5内には、窒化チタン(TiN)膜6を介してタングステン(W)膜7が充填されている。
A
次に、SiO2含有絶縁材又はSiO2よりなる第2の層間絶縁膜8を第1の層間絶縁膜4及びタングステン膜7の上に形成した後に、図4(b)に示すように、第2の層間絶縁膜8をフォトリソグラフィー法によりパターニングして幅0.2〜0.3μmの第1の配線溝9を形成する。その配線溝9の一部はコンタクトホール5の上に位置している。
Next, after forming a second
続いて、図5に示すように、第1の配線溝9の中と第2の層間絶縁膜8の上面に沿って微粒子状に結合している炭酸化タンタル(Ta2(CO3)5)分子10を含む第1のタンタル(Ta)膜11をプラズマスパッタ法により20〜50nmの厚さに形成する。第1のタンタル膜11はバリアメタル膜として機能する。
Subsequently, as shown in FIG. 5, tantalum carbonate (Ta 2 (CO 3 ) 5 ) bonded in the form of fine particles in the first wiring trench 9 and along the upper surface of the second
第1のタンタル膜11は、チャンバ(不図示)内に二酸化炭素ガスを10sccmで導入し、アルゴン(Ar)ガスを流量50sccmで導入し、その雰囲気内の圧力を5mTorrに設定した条件下で形成される。そして、二酸化炭素プラズマとターゲットTから飛び出したタンタルとを反応させて生成された分子10を第1のタンタル膜11中に混入させる。スパッタの際に、タンタルから構成されるターゲットTは、第2の絶縁膜8に対向されるように配置される。
The
次に、図6(a)に示すように、第1のタンタル膜11の上に第1の銅(Cu)膜12をMOCVD法、スパッタ法又はメッキ法により nmの厚さに形成する。第1の銅膜12は、400℃で真空アニールを経ることにより、第1の配線溝9内に完全に充填される。
Next, as shown in FIG. 6A, a first copper (Cu)
その後に、アルミナなどの粉末と無機酸を含む研磨剤を用いて第1の銅膜12をCMP(化学機械的研磨)法により研磨する。
Thereafter, the
そして、第2の層間絶縁膜8の上の第1の銅膜12が、図6(b)に示すように除去されて第1のタンタル膜11が露出した時点で、ブドウ酸を含む研磨剤を用いて第1のタンタル膜11を化学機械的研磨法により研磨を行う。
Then, when the
第1のタンタル膜11に含有されている(Ta2(CO3)5)分子10は、有機錯イオンであるブドウ酸イオンと反応して溶解する。(Ta2(CO3)5)分子10が溶解した後には第1のタンタル膜11には図6(b)に示すように微小空洞10aが形成されるので第1のタンタル膜11の上面が機械的に脆くなって第1のタンタル膜11の研磨による切削速度が増す。
The (Ta 2 (CO 3 ) 5 )
また、研磨剤(薬液)中に酸化剤を含ませないと、銅が酸化によって原子結合構造が破壊され難くなるので、第1の銅膜12が錯イオンによって溶解する速度を比較的遅くすることが可能になる。この場合、第1の銅膜12の研磨速度を第1のタンタル膜11の研磨速度と同等かそれ以下にすることが可能になり、第1の配線溝9内での第1の銅膜12のリセスの発生が防止される。
Further, if an oxidizing agent is not included in the polishing agent (chemical solution), the atomic bond structure is not easily broken by oxidation of copper, so that the speed at which the
なお、第1のタンタル膜11の研磨は、研磨圧力を3.5PSIとし、シリコン基板1を搭載するターンテーブルとシリコン基板1を支持するキャリアヘッドの回転速度はいずれも60rpmとした。
In the polishing of the
以上のような研磨と(Ta2(CO3)5)分子10の溶解のサイクルによって第1のタンタル膜11を第2の層間絶縁膜8の上から除去した後に研磨を停止し、図7(a)に示すように、第1の配線溝9内に残った第1のタンタル膜11と第1の銅膜12を第1の配線13として使用する。
After removing the
この後に、図7(b)に示すように、第2の層間絶縁膜8と第1の配線13の上に第3の層間絶縁膜14を形成する。そして第3の層間絶縁膜14に接続孔15aと第2の配線溝15bとを形成し、それらの中に第1の配線13と同様な方法によって第2のタンタル膜16と第2の銅膜17を充填し、これによりプラグと第2の配線17が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 7B, a third
なお、化学機械的研磨にケミカル成分として使用されるブドウ酸の代わりに、酒石酸、フタル酸、その他の有機酸、又は、炭素を含む溶剤を使用してもよい。また、バリアメタル膜としてはタンタルの他に炭素合金分子を含む窒化タンタルを使用してもよい。さらに、配線溝又は接続孔に充填される金属膜としては銅膜の他に銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、タングステン又はタングステン合金を用いても良い。 Note that tartaric acid, phthalic acid, other organic acids, or a solvent containing carbon may be used in place of glucose used as a chemical component in chemical mechanical polishing. In addition to tantalum, tantalum nitride containing carbon alloy molecules may be used as the barrier metal film. Further, as the metal film filled in the wiring groove or the connection hole, a copper alloy, aluminum, aluminum alloy, tungsten, or tungsten alloy may be used in addition to the copper film.
次に、有機酸を含有しない研磨剤を使用する従来の方法によるタンタル膜と銅膜のそれぞれの従来の研磨速度と、有機酸を含有する研磨剤を使用するタンタル膜と銅膜のそれぞれの本実施形態による研磨速度の違いを図8に示す。図8によれば、従来のタンタル膜の研磨速度に対して銅膜の研磨速度はおよそ6倍であった。しかし、本実施形態のように有機酸を用いて銅膜と炭素合金分子含有のタンタル膜を研磨するとタンタル膜の研磨速度が銅膜の研磨速度よりも速くなった。 Next, the conventional polishing rate of each of the tantalum film and the copper film by a conventional method using a polishing agent containing no organic acid, and the respective book of the tantalum film and the copper film using a polishing agent containing an organic acid A difference in polishing rate according to the embodiment is shown in FIG. According to FIG. 8, the polishing rate of the copper film was about 6 times that of the conventional tantalum film. However, when the copper film and the carbon alloy molecule-containing tantalum film were polished using an organic acid as in this embodiment, the polishing rate of the tantalum film was faster than the polishing rate of the copper film.
また、図8によれば、有機酸を含有しない薬液を使用する方が銅の研磨速度は速いが、薬液の交換の手間を省略するために研磨開始から研磨終了まで有機酸を含む研磨薬液を用いて銅膜とタンタル膜を連続して研磨してもよい。 Further, according to FIG. 8, the polishing rate of copper is faster when a chemical solution not containing an organic acid is used. The copper film and the tantalum film may be continuously polished by using them.
なお、上記したようにバリアメタル膜に炭素合金分子を含有させても、銅に対するバリア性能が劣化したり、比抵抗が上昇することは無かった。 As described above, even when carbon alloy molecules were included in the barrier metal film, the barrier performance against copper did not deteriorate and the specific resistance did not increase.
ところで、上記したバリアメタル膜11は、プラズマスパッタ法により形成することについて説明したが、CVD法により形成しても良い。例えば、ペンタエトキシタンタル(Ta(OC2H5)5)のような炭素を含む有機系材料を用いてタンタル膜11を形成すると、タンタル膜には炭素が含まれることになる。タンタル膜中の炭素は、研磨薬液に含まれる有機錯イオンと反応して溶解するので、そのタンタル膜は機械的に脆くなって研磨速度が速くなる。
By the way, although the above-described
(第2の実施の形態)
図9〜図11は、本発明の第2の実施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、図9〜図11において、図4(a) と同じ符号は同じ要素を示している。
(Second Embodiment)
9 to 11 are cross-sectional views showing the manufacturing steps of the semiconductor device showing the second embodiment of the present invention. 9 to 11, the same reference numerals as those in FIG. 4A indicate the same elements.
まず、図9(a) に示すような状態になるまでの工程を説明する。 First, steps required until a state as shown in FIG.
図9(a)において、シリコン基板(半導体基板)1のうちフィールド酸化膜2で囲まれた領域にMOSトランジスタ3を形成する。MOSトランジスタ3は第1実施形態と同じ構造を有している。
In FIG. 9A, a
また、MOSトランジスタ3とフィールド酸化膜2はSiO2よりなる第1の層間絶縁膜4によって覆われている。第1の層間絶縁膜4のうち第1の不純物拡散層3bの上にはコンタクトホール5が形成され、その中には、第1の窒化チタン(TiN)膜6を介してタングステン(W)膜7が充填されている。
The
次に、SiO2含有絶縁材又はSiO2よりなる第2の層間絶縁膜8を形成した後に、フォトリソグラフィー法により第2の層間絶縁膜8をパターニングしてコンタクトホール5の上を通る第1の配線溝20を形成する。そして、第1の配線溝20の中と第2の層間絶縁膜8の上面に沿って第2の窒化チタン膜21を形成した後に、第2の窒化チタン膜21の上に第1の銅(Cu)膜22を形成する。
Next, after forming a second
第2の窒化チタン膜21は、第1の銅膜22を構成する銅元素が第2の層間絶縁膜8内に拡散することを防止するために形成される。
The second
その後に、第1の銅膜22と第2の窒化チタン膜21を研磨して第2の層間絶縁膜8の上面から除去し、第1の配線溝20内に残った第1の銅膜22及び第2の窒化チタン膜21を第1の配線23として使用する。
Thereafter, the
さらに、第2の層間絶縁膜8と第1の配線23の上に第1の窒化シリコン(SiN)膜24をCVD法により約50nmの厚さに形成し、これを銅拡散防止用バリア膜として使用する。続いて、窒化シリコン膜24の上にシリコン酸化膜(SiO2)よりなる第3の層間絶縁膜25をCVD法により400nmの厚さに成長し、その上に第3の窒化チタン(TiN)膜26をスパッタリングにより50nmの厚さに成長する。
Further, a first silicon nitride (SiN)
第3の窒化チタン膜26の成長のためのスパッタリングの条件としては、スパッタ電力を12kWとし、アルゴンガスと窒素ガスを流量比1対4の割合でチャンバ内に導入し、チャンバ内の雰囲気ガス圧力を3mTorrに設定する。
As sputtering conditions for the growth of the third
その後に、フォトレジスト27を第3の窒化チタン膜26の上に塗布し、これを露光、現像して窓27aを形成する。その窓27aは、少なくとも第1の配線23の一部に重なる位置に形成される。
Thereafter, a
そして、窓27aを通して第3の窒化チタン膜26と第3の層間絶縁膜25と第1の窒化シリコン膜24を順にエッチングすると、それらの膜には深さ約500nmの接続孔28が形成される。その後にフォトレジスト27を除去すると、図9(b)に示すような断面形状が得られる。
Then, when the third
次に、図10(a)に示すように、第3の窒化チタン膜26の上面と接続孔28の内面の上に膜厚20nmの第1のβTa膜(バリアメタル膜)29と膜厚100nmの第2の銅(Cu)膜30をスパッタリングにより順に形成し、さらに第2の銅膜30の膜厚を電解メッキにより700nm増やして計800nmとした。
Next, as shown in FIG. 10A, a first βTa film (barrier metal film) 29 having a film thickness of 20 nm and a film thickness of 100 nm are formed on the upper surface of the third
第1のβTa膜29の成長のためのスパッタリングの条件として、スパッタ電力を6kWに設定し、チャンバ内にアルゴンガスを導入してその内部圧力を3mTorrに設定した。また、第2の銅膜30の成長のためのスパッタリングの条件として、スパッタ電力を12kWに設定し、チャンバ内にアルゴンガスを導入してアルゴンガス圧を3mTorrとした。
As sputtering conditions for the growth of the
なお、スパッタリング装置として真空搬送を行うマルチチャンバシステムを用いた。 Note that a multi-chamber system that performs vacuum transfer was used as the sputtering apparatus.
その後に、接続孔28の外部に成長した第2の銅膜30、βTa膜29と第3のTiN膜26を通常のCMP法によって除去することにより、図10(b)に示すような銅膜30を主導電層とするプラグ31が接続孔28内に形成される。
Thereafter, the
次に、図11(a)に示すように、第3の層間絶縁膜25とプラグ31の上に、膜厚50nmの第2の窒化シリコン膜32と膜厚400nmの第4の層間絶縁間膜33と膜厚50nmの第4のTiN膜34を順に形成した後に、それらの膜32〜34をフォトリソグラフィー法によりパターニングして第2の配線溝35を形成する。その第2の配線溝35は、その一部がプラグ31の上を通るような平面形状となっている。
Next, as shown in FIG. 11A, a second
続いて、第2の配線溝35の内面と第2の窒化シリコン膜32の上面の上に膜厚20nmの第2のβTa膜36と膜厚800nmの第3の銅膜37を順に形成する。その後に、CMP法により第2の配線溝35の外部から第3の銅膜37と第2のβTa膜36を除去することにより、図11(b)に示すように、銅膜37を主導電層とする第2の配線38が第2の配線溝35内に形成される。
Subsequently, a
以上のように、本実施形態では、層間絶縁膜の上に研磨の容易なTiN膜を形成し、それらのTiN膜と層間絶縁膜を連続的にパターニングして配線溝又は接続孔を形成し、その後に、銅拡散耐性に優れ且つ低抵抗のβTaよりなるバリアメタ膜を形成し、バリアメタル膜の上に銅膜を形成するようにした。 As described above, in this embodiment, a TiN film that is easily polished is formed on the interlayer insulating film, and the TiN film and the interlayer insulating film are continuously patterned to form wiring grooves or connection holes. Thereafter, a barrier meta film made of βTa having excellent copper diffusion resistance and low resistance was formed, and a copper film was formed on the barrier metal film.
これによれば、層間絶縁膜の上にはCMP法による研磨レートが速く且つ光反射防止機能を有するTiN膜が存在するので、配線溝や接続孔を形成する際のレジスト露光が精度良く行え、しかも、銅膜とバリアメタル膜に続いて行われる研磨によってTiN膜が容易に除去されることになって層間絶縁膜上にβTa、TiNの導電膜が残存することが防止される。しかも、銅拡散耐性に優れ、低抵抗であるβTaよりなる単層のバリアメタル膜が接続孔又は配線溝内に残ることになるので、配線溝又は接続孔内における主導電層の占有率を低下させることはない。 According to this, since there is a TiN film having a high polishing rate by the CMP method and having a light reflection preventing function on the interlayer insulating film, resist exposure can be accurately performed when forming a wiring groove and a connection hole, In addition, the TiN film is easily removed by polishing performed subsequent to the copper film and the barrier metal film, thereby preventing the βTa and TiN conductive films from remaining on the interlayer insulating film. In addition, a single-layer barrier metal film made of βTa, which has excellent resistance to copper diffusion and remains low, remains in the connection hole or wiring groove, reducing the occupation ratio of the main conductive layer in the wiring groove or connection hole. I will not let you.
また、反射防止膜としてTiN 膜を使用すると、窒化シリコン膜を使用する場合に比べて研磨の終点検出が容易であり、層間絶縁膜の薄層化が防止される。 In addition, when a TiN film is used as an antireflection film, the end point of polishing can be detected more easily than when a silicon nitride film is used, and the interlayer insulating film can be prevented from being thinned.
なお、上記したβTa(β相タンタル)膜の代わりに、αTa(α相タンタル)膜のような高融点金属膜、又は、タンタル含有率の高い窒化タンタル(Ta-rich Ta)のような高融点金属窒化物膜を用いてもよい。そのタンタル含有量の高い窒化タンタルは、窒素に対するタンタルの組成比が1以上となる窒化タンタルである。 Instead of the βTa (β phase tantalum) film described above, a high melting point metal film such as αTa (α phase tantalum) film, or a high melting point such as tantalum nitride (Ta-rich Ta) having a high tantalum content. A metal nitride film may be used. The tantalum nitride having a high tantalum content is tantalum nitride having a composition ratio of tantalum to nitrogen of 1 or more.
また、層間絶縁膜の上に直に形成される膜として、窒化チタンの他に窒素含有率の高い窒化タンタル(N-rich Ta)のような高融点金属窒化物膜や、研磨速度の高い高融点金属膜がある。窒素含有率の高い窒化タンタルは、窒素に対するタンタルの組成比が1未満となる窒化タンタルである。層間絶縁膜の上に直に形成される高融点金属膜又は高融点金属窒化物は、研磨レートがシリコン酸化膜の2倍以上となる材料が好ましいし、また、比抵抗が1000μΩcm以下となることが好ましい。 In addition to titanium nitride, high melting point metal nitride films such as tantalum nitride (N-rich Ta) with a high nitrogen content and high polishing rate There is a melting point metal film. Tantalum nitride having a high nitrogen content is tantalum nitride in which the composition ratio of tantalum to nitrogen is less than 1. The refractory metal film or refractory metal nitride formed directly on the interlayer insulating film is preferably a material whose polishing rate is at least twice that of the silicon oxide film, and has a specific resistance of 1000 μΩcm or less. Is preferred.
さらに、配線又はプラグの主導電膜となる材料としては、銅の他に銅を含む合金であってもよい。 Further, the material for the main conductive film of the wiring or plug may be an alloy containing copper in addition to copper.
(第3の実施の形態)
図12、図13は、本発明の第3の実施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、図12、図13において、図4(a)と同じ符号は同じ要素を示している。
(Third embodiment)
12 and 13 are cross-sectional views showing the manufacturing steps of the semiconductor device showing the third embodiment of the present invention. 12 and 13, the same reference numerals as those in FIG. 4A indicate the same elements.
まず、図12(a) に示すような状態になるまでの工程を説明する。 First, steps required until a state as shown in FIG.
図12(a)において、シリコン基板(半導体基板)1のうちフィールド酸化膜2で囲まれた領域にMOSトランジスタ3を形成する。MOSトランジスタ3は第1実施形態と同じ構造を有している。
In FIG. 12A, a
また、MOSトランジスタ3とフィールド酸化膜2はSiO2よりなる第1の層間絶縁膜4によって覆われている。第1の層間絶縁膜4のうち第1の不純物拡散層3bの上にはコンタクトホール5が形成され、その中には、第1の窒化チタン(TiN)膜6を介してタングステン(W)膜7が充填されている。
The
次に、SiO2含有絶縁材又はSiO2よりなる第2の層間絶縁膜8を形成した後に、フォトリソグラフィー法により第2の層間絶縁膜8をパターニングしてコンタクトホール5の上を通る第1の配線溝20を形成する。そして、第1の配線溝20の中と第2の層間絶縁膜8の上面に沿って第2の窒化チタン膜21を形成した後に、第2の窒化チタン膜21の上に第1の銅(Cu)膜22を形成する。
Next, after forming a second
その後に、第1の銅膜22と第2の窒化チタン膜21を研磨して第2の層間絶縁膜8の上面から除去し、第1の配線溝20内に残った第1の銅膜22及び第2の窒化チタン膜21を第1の配線23として使用する。
Thereafter, the
さらに、第2の層間絶縁膜8と第1の配線23の上に膜厚50nmの第1の窒化シリコン(SiN)膜41と膜厚750nmの第3の層間絶縁膜42をCVD法により順に形成した後に、第3の層間絶縁膜42の上に膜厚50nmのN-rich TaN膜43をスパッタリングにより成長する。
Further, a first silicon nitride (SiN)
N-rich TaN膜43の成長のためのスパッタリングの条件としては、スパッタ電力を6kWとし、アルゴンガスと窒素ガスを流量比1対4の割合でチャンバ内に導入し、チャンバ内の雰囲気ガス圧力を3mTorrに設定する。
As sputtering conditions for growing the N-
その後に、図12(b)に示すように、2つのレジストを使用するフォトリソグラフィー法により、第3の層間絶縁膜42の下部から第1の窒化シリコン膜41にかけて深さ100nmの接続孔44を形成し、さらにN-rich TaN膜43から第3の層間絶縁膜43の上部にかけて第2の配線用溝45を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 12B, a
その接続孔44は第1の配線23の一部に重なるように形成され、さらに、第2の配線溝45はその一部が接続孔44に重なるように形成される。なお、接続孔44と第2の配線溝45の形成順は限定されない。
The
次に、接続孔44と第2の配線溝45の内面とN-rich TaN膜43の上面の上に膜厚20nmのTa-rich TaN膜46と膜厚100nmの第2の銅膜47をスパッタリングにより順に形成する。その後に、電解メッキによって第2の銅膜47の膜厚を1400nm成長して、合計で1500nmとなるようにする。
Next, a 20-nm-thick Ta-
Ta-rich TaN膜46の成長のためのスパッタリングの条件として、スパッタ電力を6kWとし、アルゴンガスと窒素ガスを流量比4対1の割合でチャンバ内に導入し、チャンバ内の雰囲気ガス圧力を3mTorrに設定する。また、第2の銅膜47の成長のためのスパッタリングの条件として、スパッタ電力を12kWに設定し、チャンバ内にアルゴンガスを導入してアルゴンガス圧を3mTorrとした。
As sputtering conditions for the growth of the Ta-
なお、スパッタリング装置として真空搬送を行うマルチチャンバシステムを用いる。 Note that a multi-chamber system that performs vacuum transfer is used as the sputtering apparatus.
その後に、接続孔44と第2の配線溝45の外部に成長した第2の銅膜47とTa-rich TaN膜46と第3のTiN膜43を通常のCMP法によって除去すると、図13(b) に示すように、接続孔44内には銅膜47を主導電層とするプラグ48形成され、第2の配線溝45内には銅膜47を主導電層とする第2の配線49が形成される。
Thereafter, when the
以上の方法によれば、CMP法による研磨レートが速く且つ光反射防止機能を有するN-rich TaN膜が層間絶縁膜の上に予め形成されるので、配線溝や接続孔を形成する際のレジスト露光が精度良く行え、しかも、銅膜とバリアメタル膜に続いて行われる研磨によってN-rich TaN膜が容易に除去されることになって層間絶縁膜上に TaN膜の導電膜が残存することが防止される。しかも、銅拡散耐性に優れ、低抵抗であるTa-rich TaNよりなる単層のバリアメタル膜が接続孔又は配線溝内に残ることになるので、配線溝又は接続孔内における主導電層の占有率を低下させることはない。 According to the above method, since the N-rich TaN film having a high polishing rate by the CMP method and having the light reflection preventing function is formed in advance on the interlayer insulating film, the resist for forming the wiring trench and the connection hole is formed. The exposure can be performed with high accuracy, and the N-rich TaN film can be easily removed by polishing performed after the copper film and the barrier metal film, so that the conductive film of the TaN film remains on the interlayer insulating film. Is prevented. Moreover, since a single-layer barrier metal film made of Ta-rich TaN, which has excellent copper diffusion resistance and low resistance, remains in the connection hole or wiring groove, the main conductive layer is occupied in the wiring groove or connection hole. It does not reduce the rate.
また、反射防止膜としてN-rich TaN膜を使用すると窒化シリコン膜を使用する場合に比べて研磨の終点検出が容易であり、層間絶縁膜の薄層化が防止される。 Further, when an N-rich TaN film is used as an antireflection film, the end point of polishing can be detected more easily than when a silicon nitride film is used, and the interlayer insulating film can be prevented from being thinned.
なお、上記したTa-rich TaN膜のような高融点金属窒化物膜の代わりに、βTa膜、αTa膜のような高融点金属膜を用いてもよい。 Note that a refractory metal film such as a βTa film or an αTa film may be used instead of the refractory metal nitride film such as the Ta-rich TaN film.
また、層間絶縁膜の上に直に形成される膜として、N-rich TaNの代わりに、窒化チタン膜のような高融点金属窒化物膜や研磨速度の高い高融点金属膜がある。層間絶縁膜の上に直に形成される高融点金属膜又は高融点金属窒化物は、研磨レートがシリコン酸化膜の2倍以上となる材料が好ましいし、また、比抵抗が1000μΩcm以下となることが好ましい。 In addition, as a film formed directly on the interlayer insulating film, there is a refractory metal nitride film such as a titanium nitride film or a refractory metal film having a high polishing rate instead of N-rich TaN. The refractory metal film or refractory metal nitride formed directly on the interlayer insulating film is preferably a material whose polishing rate is at least twice that of the silicon oxide film, and has a specific resistance of 1000 μΩcm or less. Is preferred.
さらに、配線又はプラグの主導電膜となる材料としては、銅の他に銅を含む合金であってもよい。 Further, the material for the main conductive film of the wiring or plug may be an alloy containing copper in addition to copper.
1…シリコン基板(半導体基板)、2…フィールド酸化膜、3…MOSトランジスタ、4…第1の層間絶縁膜、5…コンタクトホール、6…第1の窒化チタン(TiN)
膜、7…タングステン膜、8…第2の層間絶縁膜、9…配線溝、10…(Ta2(CO3)5)分子、11…バリアメタル膜、12…銅膜、13…第1の配線、 14…第3の層間絶縁膜、15a,15b…配線溝、16…タンタル膜、17…銅膜、20…配線溝、21…窒化チタン膜、22…銅膜、23…配線、24…窒化シリコン膜、25…層間絶縁膜、26…窒化チタン、27…レジスト、28…接続孔、29…β相タンタル膜、30…銅膜、31…プラグ、32…窒化シリコン膜、33…層間絶縁膜、34…窒化チタン膜、35…配線溝、36…β相タンタル、37…銅膜、38…配線、41…窒化シリコン膜、42…層間絶縁膜、43…窒素リッチ窒化タンタル膜、44…接続孔、45…配線溝、46…タンタルリッチ窒化タンタル膜、47…銅膜、48…プラグ、49…配線。
DESCRIPTION OF
Film, 7 ... tungsten film, 8 ... second interlayer insulating film, 9 ... wiring groove, 10 ... (Ta 2 (CO 3) 5) Molecular, 11 ... barrier metal film, 12 ... copper film, 13 ... first Wiring, 14 ... third interlayer insulating film, 15a, 15b ... wiring groove, 16 ... tantalum film, 17 ... copper film, 20 ... wiring groove, 21 ... titanium nitride film, 22 ... copper film, 23 ... wiring, 24 ... Silicon nitride film, 25 ... interlayer insulating film, 26 ... titanium nitride, 27 ... resist, 28 ... connection hole, 29 ... beta phase tantalum film, 30 ... copper film, 31 ... plug, 32 ... silicon nitride film, 33 ... interlayer insulation 34: Titanium nitride film, 35: Wiring trench, 36 ... β phase tantalum, 37 ... Copper film, 38 ... Wiring, 41 ... Silicon nitride film, 42 ... Interlayer insulating film, 43 ... Nitrogen-rich tantalum nitride film, 44 ... Connection hole, 45 ... wiring groove, 46 ... tantalum-rich tantalum nitride film, 47 ... Film, 48 ... plug, 49 ... wiring.
Claims (4)
前記第1の膜と前記絶縁膜に配線溝又は接続孔を形成する工程と、
前記配線溝又は前記接続孔の内面と前記第1の膜の上面に、前記第1の高融点金属若しくは前記第1の高融点金属窒化物よりも化学機械的研磨による研磨速度が遅い第2の高融点金属又は第2の高融点金属窒化物よりなる第2の膜を形成する工程と、
前記第2の膜の上に銅膜又は銅含有合金膜を形成する工程と、
前記銅膜又は銅含有合金膜と前記第1の膜と前記第2の膜を、前記配線溝又は前記接続孔以外の前記絶縁膜の上面から前記化学機械的研磨により除去する工程とを有し、
前記第2の高融点金属はβ相のタンタル、α相のタンタルであり、前記第2の高融点金属窒化物は窒素がタンタルよりも少ない組成比を有する窒化タンタルであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first film made of a first refractory metal or a first refractory metal nitride on the insulating film;
Forming a wiring groove or a connection hole in the first film and the insulating film;
A second polishing rate by chemical mechanical polishing is lower than that of the first refractory metal or the first refractory metal nitride on the inner surface of the wiring groove or the connection hole and the upper surface of the first film. Forming a second film made of a refractory metal or a second refractory metal nitride ;
Forming a copper film or a copper-containing alloy film on the second film;
The copper film or a copper-containing alloy film and said first film and said second film is perforated and removing by said chemical mechanical polishing from the top surface of the insulating film other than the wiring grooves or the connection holes ,
The second refractory metal is β-phase tantalum and α-phase tantalum, and the second refractory metal nitride is tantalum nitride having a composition ratio of nitrogen smaller than that of tantalum. Device manufacturing method.
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