JP5362029B2 - 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、特に絶縁膜が有する凹部の内側にめっき法によって銅めっき膜が充填されてなる半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device in which a copper plating film is filled inside a recess of an insulating film by a plating method.
半導体装置の配線技術では、配線構造の微細化や多層化が進むにつれて、電流密度の増加に伴うエレクトロマイクレーション(EM)がより深刻化する。高いEM耐性を有する銅(Cu)配線の多層配線構造は、こうした問題を回避するために必要とされている。そしてエッチング法を利用した加工方法に代わるダマシン法やデュアルダマシン法は、化学的なエッチングが困難であるCu配線の多層配線技術に不可欠である。 In the wiring technology of a semiconductor device, as the wiring structure is miniaturized and multilayered, electromylation (EM) accompanying an increase in current density becomes more serious. A multilayer wiring structure of copper (Cu) wiring having high EM resistance is required to avoid such problems. A damascene method or a dual damascene method, which is an alternative to a processing method using an etching method, is indispensable for multilayer wiring technology for Cu wiring, which is difficult to chemically etch.
ダマシン法やデュアルダマシン法ではまず、配線形状に合った凹部が予め層間絶縁膜に形成されて、次いでその凹部の内側を埋める配線がCu膜をバルクとしたかたちに形成される。そして層間絶縁膜上に形成されたCu膜等、凹部の外側に形成されたCu膜が化学機械研磨により除去されることにより、Cu膜を主とした配線構造が形成される。 In the damascene method or the dual damascene method, first, a concave portion matching the wiring shape is formed in the interlayer insulating film in advance, and then a wiring filling the inside of the concave portion is formed in the form of the Cu film as a bulk. Then, a Cu film formed on the outer side of the recess, such as a Cu film formed on the interlayer insulating film, is removed by chemical mechanical polishing, thereby forming a wiring structure mainly including the Cu film.
上述した配線の形成工程ではまず、配線溝や接続孔等の凹部を有する層間絶縁膜に対してスパッタ法等が適用されて、層間絶縁膜中へのCu拡散を抑止するためのバリア膜により、凹部の内側を含む層間絶縁膜の表面全体が被覆される。次いでバリア膜が形成された半導体基板に対してスパッタ法等が適用されて、Cu膜を成長させるための銅シード膜により、上記バリア膜の表面全体、すなわち凹部の内側全体を含む基板表面が被覆される。そして銅シード膜が形成された半導体基板に対してめっき法が適用されて、凹部の内側を埋めるかたちにCu膜が形成される。こうした各種の成膜工程が実行されることにより、バリア膜、銅シード膜、及びCu層からなるCu配線が形成される。 In the wiring formation process described above, first, a sputtering method or the like is applied to an interlayer insulating film having a recess such as a wiring groove or a connection hole, and a barrier film for suppressing Cu diffusion into the interlayer insulating film, The entire surface of the interlayer insulating film including the inside of the recess is covered. Next, a sputtering method or the like is applied to the semiconductor substrate on which the barrier film is formed, and the copper seed film for growing the Cu film covers the entire surface of the barrier film, that is, the entire substrate surface including the inside of the recess. Is done. Then, a plating method is applied to the semiconductor substrate on which the copper seed film is formed, and a Cu film is formed so as to fill the inside of the recess. By performing these various film forming steps, a Cu wiring composed of a barrier film, a copper seed film, and a Cu layer is formed.
Cu拡散を抑止するバリア膜の構成材料には、例えばタンタル(Ta)や硼窒化ジルコニウム(ZrBN)が知られている。これらのTa膜やZrBN膜はいずれも優れたバリア性を発現する一方、各々が有する電気伝導性の下地依存性には大きな差異がある。つまり、下地が導電性であるか否かに関わらず導電性を有するTa膜に対して、ZrBN膜は下地となる膜が導電性であれば導電性を発現し、下地となる膜が絶縁性であれば絶縁性を発現する(例えば、特許文献1)。そのため、こうしたバリア膜を有するCu配線では、バリア膜の構成材料がTaであるか、あるいはZrBNであるかに応じて、バリア膜の成膜工程に続く後工程の内容が異なることになる。 For example, tantalum (Ta) or zirconium boronitride (ZrBN) is known as a constituent material of the barrier film that suppresses Cu diffusion. While these Ta films and ZrBN films all exhibit excellent barrier properties, there is a large difference in the grounding dependency of the electrical conductivity of each. In other words, regardless of whether the base is conductive or not, the ZrBN film exhibits conductivity if the base film is conductive, while the base film is insulative. If so, an insulating property is exhibited (for example, Patent Document 1). Therefore, in the Cu wiring having such a barrier film, the contents of the post-process following the barrier film forming process differ depending on whether the constituent material of the barrier film is Ta or ZrBN.
例えばTa膜がバリア膜として凹部に適用されるとすれば、凹部の内側全体に加えて層間絶縁膜上にもTa膜が堆積することになる。それゆえ、層間の絶縁性が確保されるためには、層間絶縁膜上に堆積したこうしたTa膜を化学機械研磨により完全に除去する必要がある。それに対して、ZrBN膜がバリア膜として凹部に適用されるとすれば、凹部の底に堆積するZrBN膜が導電性を有し、層間絶縁膜上に堆積するZrBN膜が絶縁性を有することになる。それゆえ、層間の絶縁性が確保されること、その点においては、層間絶縁膜上に堆積したこうしたZrBN膜を完全に除去する必要もない。そこで、Cu配線に関わるバリア膜については、こうした後工程における利便性を図るために、上述するようなZrBN膜が鋭意検討されるに至っている。 For example, if a Ta film is applied to the recess as a barrier film, the Ta film is deposited on the interlayer insulating film in addition to the entire inside of the recess. Therefore, in order to ensure insulation between layers, it is necessary to completely remove such Ta film deposited on the interlayer insulation film by chemical mechanical polishing. On the other hand, if the ZrBN film is applied to the recess as a barrier film, the ZrBN film deposited on the bottom of the recess has conductivity, and the ZrBN film deposited on the interlayer insulating film has insulation. Become. Therefore, it is not necessary to completely remove the ZrBN film deposited on the interlayer insulating film in that the insulating property between the layers is ensured. Therefore, as for the barrier film related to the Cu wiring, the ZrBN film as described above has been intensively studied for the purpose of convenience in such a post-process.
上述するようにZrBN膜がバリア膜であるとき、このバリア膜と接する下地が導電体であればバリア膜(ZrBN膜)も導電体となり、反対に、このバリア膜と接する下地が絶縁体であればバリア膜(ZrBN膜)も絶縁体となる。そして、このような電気伝導度の分布を有したZrBN膜上にPVD法を利用した銅シード膜が形成されることになり、さらに、めっき法を利用したCu膜がこの銅シード膜上に形成されることになる。図4(a)(b)を参照して、ZrBN膜、銅シード膜、及びCu層について説明する。 As described above, when the ZrBN film is a barrier film, if the base in contact with the barrier film is a conductor, the barrier film (ZrBN film) is also a conductor, and conversely, the base in contact with the barrier film is an insulator. For example, the barrier film (ZrBN film) also becomes an insulator. Then, a copper seed film using the PVD method is formed on the ZrBN film having such electric conductivity distribution, and further, a Cu film using the plating method is formed on the copper seed film. Will be. With reference to FIGS. 4A and 4B, the ZrBN film, the copper seed film, and the Cu layer will be described.
図4(a)に示されるように、基板に形成された第1層間絶縁膜D1上には、バリア膜BMとエッチングストッパ膜ESaとに挟まれた第1配線膜M1が積層されている。この第1配線膜M1上には、エッチングストッパ膜ESa,ESbに挟まれた第2層間絶縁膜D2が積層されており、また第2層間絶縁膜D2上には、エッチングストッパ膜ESb,ESCに挟まれた第3層間絶縁膜D3が積層されている。第2層間絶縁膜D2及びこれを挟む一対のエッチングストッパ膜ESa,ESbには、これらを貫通するかたちに積層方向に延びる接続孔CHが穿設されている。また第3層間絶縁膜D3及びこれに積層されたエッチングストッパ膜ESCには、これらを貫通する配線溝LGが接続孔CHから拡開するかたちに穿設されている。そして、これら接続孔CHの内側、配線溝LGの内側、及び配線溝LGの開口外側には、これらの全体を覆うようにZrBN膜51が積層されている。
As shown in FIG. 4A, the first wiring film M1 sandwiched between the barrier film BM and the etching stopper film ESa is stacked on the first interlayer insulating film D1 formed on the substrate. A second interlayer insulating film D2 sandwiched between etching stopper films ESa and ESb is laminated on the first wiring film M1, and the etching stopper films ESb and ESC are stacked on the second interlayer insulating film D2. A sandwiched third interlayer insulating film D3 is stacked. The second interlayer insulating film D2 and the pair of etching stopper films ESa and ESb sandwiching the second interlayer insulating film D2 are provided with connection holes CH extending in the stacking direction so as to penetrate these films. In addition, the third interlayer insulating film D3 and the etching stopper film ESC laminated thereon are provided with a wiring groove LG penetrating therethrough so as to expand from the connection hole CH. A ZrBN
このように構成されたZrBN膜51のうちで第1配線膜M1の一部でもある接続孔CHの底部に接する部分では、ZrBN膜51が導電体として機能することになる。他方、接続孔CHの周面及び配線溝LGの溝側面に接する部分では、ZrBN膜51が絶縁体として機能することになる。ここで、このような電気伝導度の分布を有したZrBN膜に対してPVD法を利用した銅シード膜が積層されるとなると、絶縁体に対する銅シード膜の密着性が乏しいために、特に成膜速度が遅くなる接続孔CHの底部の周りでは、Cu粒子が底部側壁を中心に凝集して銅シード膜が粒状の成膜状態となってしまう(図4(a)参照)。このような粒状の成膜状態にある銅シード膜に対してめっき法が適用されるものなら、Cu粒子の間、さらには接続孔CHとCu粒子との間に表面処理用の酸性液が進入してしまい、粒状の成膜状態にある部分でエッチング速度が大きくなってしまう。その結果、図4(b)に示されるように、接続孔CHの底部の周りでは、めっき法によるCu膜53が成長し難くなるために、Cu膜53と第1配線膜M1との間における接触抵抗が増加して、終には電気的な接続さえも得られ難くなってしまう。配線構造の微細化が進む近年にあっては、銅シード膜の薄膜化も要求されることになるために、上述する問題がさらに顕在化しつつある。
In the ZrBN
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁膜が有する凹部の内側にめっき法により充填される銅めっき膜の埋め込み性を向上させた半導体装置の製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device in which the embedding property of a copper plating film filled by a plating method inside a recess of an insulating film is improved. It is to be.
上記課題を解決するための手段及びその作用効果を以下に記載する。
本発明の第1の態様に従う半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜が有する凹部の内側を硼窒化ジルコニウム膜で被覆する工程と、前記硼窒化ジルコニウム膜の表面をPVD法により銅シード膜で被覆する工程と、前記銅シード膜で被覆された前記凹部の内側をめっき法により銅めっき膜で充填する工程と、前記硼窒化ジルコニウム膜を前記銅シード膜で被覆する前に、前記硼窒化ジルコニウム膜の表面から、少なくとも窒素を取り除いて当該表面を導体化させる工程とを備え、前記導体化される前記硼窒化ジルコニウム膜の厚さが目標の厚さに到達するまでの目標処理時間を予め取得し、前記窒素を取り除く処理を当該目標時間だけ実行する。
Means for solving the above-described problems and their effects are described below.
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising: a step of coating a concave portion of an insulating film on a substrate with a zirconium boronitride film; and a surface of the zirconium boronitride film by a PVD method. Coating with a copper plating film by plating, and before coating the zirconium boronitride film with the copper seed film, the boron nitride. A step of removing at least nitrogen from the surface of the zirconium film to make the surface a conductor, and the target processing time until the thickness of the zirconium boronitride film to be made conductive reaches a target thickness in advance get, the process of removing the nitrogen to run only the target time.
導電体である銅シード膜の構成材料とこれと異なる絶縁体との間の密着性は、導電体同士の間の密着性あるいは絶縁体同士の間の密着性と比較して一般に低くなる。そのため、PVD法による銅シード膜が絶縁体上に形成されるとなれば、こうした銅シード膜が導電体上に形成される場合と比較して、銅シード膜における凝集が容易に発生するようになる。特に絶縁膜が有する凹部の内側にPVD法により銅シード膜が被覆されるとなれば、絶縁膜が有する凹部が深くなるにつれて、銅シード膜の構成元素が凹部の底に到達し難くなり、そこでの銅シード膜の成長速度が遅くなるため、上述するような凝集がさらに容易に発生するようになる。 The adhesion between the constituent material of the copper seed film, which is a conductor, and a different insulator is generally lower than the adhesion between the conductors or the adhesion between the insulators. Therefore, if a copper seed film by PVD is formed on an insulator, compared with a case where such a copper seed film is formed on a conductor, aggregation in the copper seed film is easily generated. Become. In particular, if the copper seed film is coated inside the concave portion of the insulating film by the PVD method, the constituent elements of the copper seed film are difficult to reach the bottom of the concave portion as the concave portion of the insulating film is deepened. Since the growth rate of the copper seed film becomes slow, the agglomeration as described above occurs more easily.
この点、第1の態様によれば、表面が導体化された硼窒化ジルコニウム膜上に、PVD法による銅シード膜が形成されることになる。つまり、絶縁膜が有する凹部の内側においても、硼窒化ジルコニウム膜の表面が導体化されて、こうして導体化された硼窒化ジルコニウム膜上に銅シード膜が形成されることになる。それゆえに、絶縁膜が有する凹部の内側の全体において、バリア膜となる硼窒化ジルコニウム膜と銅シード膜との密着性が向上されることになり、上述した銅シード膜における凝集が凹部の内側の全体で抑制されることになる。 In this regard, according to the first aspect, the copper seed film is formed by the PVD method on the zirconium boronitride film whose surface is made conductive. In other words, the surface of the zirconium boronitride film is made conductive even inside the concave portion of the insulating film, and a copper seed film is formed on the zirconium boronitride film thus made conductive. Therefore, the adhesion between the zirconium boronitride film serving as the barrier film and the copper seed film is improved over the entire inner side of the concave portion of the insulating film, and the aggregation in the copper seed film described above is caused to occur inside the concave portion. It will be suppressed as a whole.
その結果、銅シード膜が形成された後のめっき工程では、銅シード膜における粒状体そのものの成長が抑制されているために、こうした粒状体の間にめっき液が染み込み難くなる。そして、めっき膜の成長速度よりもめっき液によるエッチング速度が大きくなること、それ自体が抑制されることになる。したがって、絶縁膜が有する凹部に対して銅めっき膜の埋め込み性を向上させることが可能になる。そのうえ、硼窒化ジルコニウム膜の表面のみが導体化される構成であれば、こうした表面を研磨して除去することも容易である。そのため、絶縁膜上を被う硼窒化ジルコニウム膜に対し絶縁性が必要となる場合であっても、硼窒化ジルコニウム膜の本来有する電気伝導度の選択性が容易に引き出されることも可能である。
また、上述するような窒素を取り除く処理が過剰に行われるものなら、硼窒化ジルコニウム膜が本来有する電気伝導度の選択性も消失してしまう。反対に、窒素を取り除く処理が不足しようものなら、硼窒化ジルコニウム膜の表面における導体化の不足によって所望する銅めっき膜の埋め込み性が得られ難くなってしまう。この点、窒素を取り除く処理を目標処理時間だけ実行することにより、導体化の過不足が抑制可能となる。
As a result, in the plating step after the copper seed film is formed, the growth of the granular material itself in the copper seed film is suppressed, so that it is difficult for the plating solution to penetrate between the granular materials. And the etching rate by a plating solution becomes larger than the growth rate of a plating film, and itself is suppressed. Therefore, it becomes possible to improve the embedding property of the copper plating film with respect to the concave portion of the insulating film. Moreover, if only the surface of the zirconium boronitride film is made into a conductor, it is easy to polish and remove such a surface. Therefore, even when the insulating property is required for the zirconium boronitride film covering the insulating film, the selectivity of the electrical conductivity inherent in the zirconium boronitride film can be easily derived.
Further, if the treatment for removing nitrogen as described above is performed excessively, the electrical conductivity selectivity inherent in the zirconium boronitride film is lost. On the other hand, if the treatment for removing nitrogen is insufficient, it becomes difficult to obtain the desired embeddability of the copper plating film due to insufficient conductivity on the surface of the zirconium boronitride film. In this regard, by performing the process of removing nitrogen only for the target processing time, it is possible to suppress excessive or insufficient conductorization.
一例では、前記硼窒化ジルコニウム膜の表面に水素ラジカルを照射して当該表面を導体化させる。
硼窒化ジルコニウム膜の表面から窒素を取り除く処理としては、例えば軽元素である窒素のみを硼窒化ジルコニウム膜からスパッタする物理的な表面処理や、硼窒化ジルコニウム膜の表面における窒素のみを熱反応で還元して反応生成物として気化させる化学的な表面処理等が挙げられる。水素ラジカルの照射は、上述するような物理的又は化学的な表面処理の中でも、硼窒化ジルコニウム膜に対する電気的及び熱的なダメージを軽減させることが可能である。In one example, the surface of the zirconium boronitride film is irradiated with hydrogen radicals to make the surface conductive.
As a process for removing nitrogen from the surface of the zirconium boronitride film, for example, a physical surface treatment in which only light element nitrogen is sputtered from the zirconium boronitride film, or only nitrogen on the surface of the zirconium boronitride film is reduced by a thermal reaction. Then, a chemical surface treatment that vaporizes as a reaction product can be used. Irradiation with hydrogen radicals can reduce electrical and thermal damage to the zirconium boronitride film among physical or chemical surface treatments as described above.
一例では、前記絶縁膜上に形成された銅めっき膜、銅シード膜及び前記硼窒化ジルコニウム膜をCMP法により研削して前記基板上を平坦化する工程を更に備え、前記研削する工程では前記硼窒化ジルコニウム膜を前記目標となる厚さだけ研削する。 In one example, the method further comprises a step of grinding the copper plating film, the copper seed film and the zirconium boronitride film formed on the insulating film by a CMP method to planarize the substrate, and the grinding step includes the step of grinding the boron. The zirconium nitride film is ground by the target thickness.
絶縁膜上に形成された硼窒化ジルコニウム膜からは、導体化された分だけが研削されることにため、平坦化された基板上に硼窒化ジルコニウム膜が残るとしても、こうした硼窒化ジルコニウム膜が絶縁性を有する。よって、硼窒化ジルコニウム膜が本来有する電気伝導度の選択性がより確実に実現可能になる。 Since the zirconium boronitride film formed on the insulating film is ground only for the amount of the conductor, even if the zirconium boronitride film remains on the flattened substrate, the zirconium boronitride film Has insulation. Therefore, the electrical conductivity selectivity inherent in the zirconium boronitride film can be realized more reliably.
一例では、前記絶縁膜が有する凹部が、前記絶縁膜の下地である導電膜に接続された接続孔であり、前記絶縁膜が有する接続孔の内側を前記硼窒化ジルコニウム膜で被覆する前に、前記絶縁膜及び前記導電膜の表面に水素ラジカルを照射する。一例では、前記凹部は、配線溝と接続孔とを含むデュアルダマシンパターンであり、
前記配線溝と接続孔を前記硼窒化ジルコニウム膜で被覆し、水素ラジカルの照射により前記配線溝と接続孔を被覆する前記硼窒化ジルコニウム膜の表面から少なくとも窒素を取り除いて当該表面を導体化させ、その後、前記配線溝と接続孔を被覆する前記硼窒化ジルコニウム膜を前記銅シード膜で被覆する。In one example, the concave portion of the insulating film is a connection hole connected to the conductive film that is a base of the insulating film, and before the inside of the connection hole of the insulating film is covered with the zirconium boronitride film, The surface of the insulating film and the conductive film is irradiated with hydrogen radicals. In one example, the recess is a dual damascene pattern including a wiring groove and a connection hole,
The wiring groove and the connection hole are covered with the zirconium boronitride film, and at least nitrogen is removed from the surface of the zirconium boronitride film covering the wiring groove and the connection hole by irradiation with hydrogen radicals, and the surface is made into a conductor. Thereafter, the zirconium boronitride film covering the wiring groove and the connection hole is covered with the copper seed film.
硼窒化ジルコニウム膜の下地である絶縁膜及び導電膜の表面に水素ラジカルによる還元処理が施されるため、これら絶縁膜及び導電膜の表面に有機物等の絶縁性の異物が存在する場合であっても、これらの異物を取り除くことが可能となる。その結果、硼窒化ジルコニウム膜と絶縁膜との間の密着性が向上可能になる。さらに、硼窒化ジルコニウム膜と導電膜との間の電気的な接続がより確実に得られることになるため、絶縁膜が有する接続孔に充填される銅めっき膜と導電膜との間の電気的な接続がより確実に得られることになる。 The surface of the insulating film and the conductive film, which are the bases of the zirconium boronitride film, is subjected to a reduction treatment with hydrogen radicals, so that there are insulating foreign substances such as organic substances on the surfaces of the insulating film and the conductive film. However, these foreign substances can be removed. As a result, the adhesion between the zirconium boronitride film and the insulating film can be improved. Further, since the electrical connection between the zirconium boronitride film and the conductive film can be obtained more reliably, the electrical connection between the copper plating film filled in the connection hole of the insulating film and the conductive film is achieved. Connection can be obtained more reliably.
以下、本発明を具体化した一実施形態について図面を参照して説明する。図1に示されるように、半導体装置の製造方法を構成するCu配線の形成方法では、基板上の絶縁膜に凹部としてのデュアルダマシンパターンを形成する工程(ステップS1)と、その凹部に前処理を施す工程(ステップS2)と、同凹部の内側を硼窒化ジルコニウム膜(ZrBN膜)で被覆する工程(ステップS3)とが、この順に実行される。続いて、ZrBN膜に後処理を施す工程(ステップS4)と、ZrBN膜の表面をPVD法により銅シード膜で被覆する工程(ステップS5)と、銅シード膜で被覆された凹部の内側をめっき法により銅めっき膜で充填する工程(ステップS6)と、絶縁膜上を平坦化するCMP工程(ステップS7)とが順に実行される。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, in a Cu wiring forming method constituting a semiconductor device manufacturing method, a step of forming a dual damascene pattern as a recess in an insulating film on a substrate (step S1), and pre-processing in the recess The step of applying (Step S2) and the step of covering the inside of the recess with a zirconium boronitride film (ZrBN film) (Step S3) are performed in this order. Subsequently, a step of post-processing the ZrBN film (step S4), a step of coating the surface of the ZrBN film with a copper seed film by the PVD method (step S5), and plating the inside of the concave portion covered with the copper seed film A step of filling with a copper plating film by a method (step S6) and a CMP step of planarizing the insulating film (step S7) are sequentially performed.
上記凹部の形成工程に先立ち、基板上には、図2(a)(b)に示されるように、第1層間絶縁膜11が形成されている。この第1層間絶縁膜11上には、バリア膜12とエッチングストッパ膜13aとに挟まれた配線膜14が積層されている。この配線膜14上には、エッチングストッパ膜13a,13bに挟まれた第2層間絶縁膜15が積層されており、また第2層間絶縁膜15上には、エッチングストッパ膜13b,13cに挟まれた第3層間絶縁膜16が積層されている。
Prior to the step of forming the recess, a first
なお、各層間絶縁膜11,15,16は、例えばシリコン酸化物や炭素含有シリコン酸化物等から構成される絶縁膜であって、化学的気相成長法(Chemical Vapor Deposition法:CVD法)やスピンコート法等の成膜方法により形成される。配線膜14は、例えばアルミニウムやチタン、銅やタンタル等から構成される多層の導電膜であって、物理的気相成長法(Physical Vapor Deposition法:PVD法)やCVD法等の成膜方法により形成される。第1層間絶縁膜11と配線膜14とに挟まれるバリア膜12は、配線膜14の構成材料が層間絶縁膜に拡散することを抑制する機能を有して金属窒化物やシリコン炭化物等から構成される薄膜であって、CVD法やPVD法、スピンコート法等の成膜方法により形成される。各エッチングストッパ膜13a,13b,13cは、層間絶縁膜に対する適正なエッチング選択性と、配線膜14の構成材料が層間絶縁膜に拡散することを抑える機能とを有してシリコン炭化物やシリコン酸窒化物等から構成されており、CVD法やスピンコート法等の成膜方法により形成される。
Each of the interlayer insulating
上記凹部の形成工程(ステップS1)では、図2に示されるように、第3層間絶縁膜16及びこれに積層されたエッチングストッパ膜13cに、これらを貫通して接続孔17から拡開するかたの配線溝18がドライエッチング法により形成される。また第2層間絶縁膜15及びこれを挟む一対のエッチングストッパ膜13a,13bに、これらを貫通するかたちの接続孔17がドライエッチング法により形成される。そして、配線膜14の一部が外側に露出されるかたちに、これら接続孔(ビア)17及び配線溝18から構成される凹部20が形成される。
In the step of forming the recess (step S1), as shown in FIG. 2, the third
なお、上述のようにして凹部20を形成する過程では、炭素を含有する有機系のフォトレジストが用いられるために、凹部20の内部やエッチングストッパ膜13c上に、こうしたフォトレジストの残渣が異物として付着し易くなる。また、炭素を含有する構成材料でエッチングストッパ膜13a,13b,13cが形成される場合にも、こうした炭素を含有する異物が凹部20の内部に付着し易くなる。
In the process of forming the
上記凹部20に対して前処理を施す工程(ステップS2)では、同凹部20を含む基板表面の全体に水素ラジカルが照射される。このように基板表面の全体に水素ラジカルが照射されると、水素ラジカルによる炭素の還元処理が凹部20を含む基板表面の全体で進行することになる。その結果、凹部20の底を構成する配線膜14の一部、凹部20の側面を構成する第2層間絶縁膜15や第3層間絶縁膜16の一部、さらにはエッチングストッパ膜13b,13c等、これらの表面に付着した有機系の異物が、同表面から取り除かれることとなる。
In the step of performing the pretreatment on the recess 20 (step S2), the entire surface of the substrate including the
このような前処理の態様の一例としては、例えばマイクロ波を受ける水素ガスが水素ラジカルを生成して、基板が収容される真空チャンバー内にこの水素ラジカルが供給される、そのような態様がある。このようにマイクロ波と水素ガスとを用いた前処理における処理条件の一例を以下に示す。
・基板温度:100℃〜250℃
・水素ガス流量:200sccm
・アルゴンガス流量:30sccm
・処理圧力:50〜500Pa
・マイクロ波出力:100W
上記凹部20をZrBN膜で被覆する工程(ステップS3)では、CVD法やPVD法等の成膜方法によって、凹部20を含む基板表面の全体にZrBN膜21が形成される。このようなZrBN膜21が形成されると、ZrBN膜21の下地が導電体であれば当該ZrBN膜21が導電性を発現し、ZrBN膜21の下地が絶縁体であれば当該ZrBN膜21が絶縁性を発現する。例えば凹部20の底を構成する配線膜14と接するZrBN膜21の部分は、5〜8μΩ・cmの比抵抗値を有した導電体となり、凹部20の内側面を構成する第2層間絶縁膜15や第3層間絶縁膜16と接するZrBN膜21の部分は、102Ω・cm以上の比抵抗値を有した絶縁体となる。As an example of such a pretreatment mode, for example, there is such a mode in which hydrogen gas that receives microwaves generates hydrogen radicals, and the hydrogen radicals are supplied into a vacuum chamber in which the substrate is accommodated. . An example of processing conditions in the pretreatment using microwaves and hydrogen gas in this way is shown below.
-Substrate temperature: 100 ° C to 250 ° C
・ Hydrogen gas flow rate: 200sccm
Argon gas flow rate: 30sccm
・ Processing pressure: 50-500Pa
・ Microwave output: 100W
In the step of covering the
このようなZrBN膜21の成膜態様の一例としては、例えばマイクロ波を受ける窒素ガスが窒素ラジカルを生成して、基板が収容される真空チャンバー内にこの窒素ラジカルとテトラヒドロボレートジルコニウム(Zr(BH4)4)とが供給される、そのような態様が挙げられる。このように窒素ラジカルとテトラヒドロボレートジルコニウムとを用いた成膜条件の一例を以下に示す。
・基板温度:220℃
・Zr(BH4)4:55sccm
・窒素ガス流量(MFC2):50sccm
・マイクロ波出力:100W
・処理圧力:400Pa
なおZrBN膜21の成膜態様の一例には、例えばジルコニウム(Zr)を主成分とするターゲットと、窒化硼素(BN)を主成分とするターゲットとが基板上で同時にスパッタされる、そのような態様も挙げられる。As an example of such a film formation mode of the
-Substrate temperature: 220 ° C
・ Zr (BH 4 ) 4 : 55 sccm
・ Nitrogen gas flow rate (MFC2): 50 sccm
・ Microwave output: 100W
・ Processing pressure: 400Pa
As an example of the film formation mode of the
このようにしてZrBN膜が形成されるとき、ZrBN膜の下地である層間絶縁膜及び配線膜14の表面では、先行する前処理によって有機系の異物が取り除かれている。それゆえに、こうした異物が下地に存在する場合と比較して、ZrBN膜21と各層間絶縁膜との間の密着性、及びZrBN膜21とエッチングストッパ膜との間の密着性が向上可能になる。
When the ZrBN film is formed in this manner, organic foreign matters are removed from the surface of the interlayer insulating film and the
上記ZrBN膜21に後処理を施す工程では、同ZrBN膜21を含む基板表面の全体に水素ラジカルが照射される。図3(a)は、この後処理後におけるZrBN膜の断面構造を示す。図3(a)に示されるように、ZrBN膜の表面の全体に水素ラジカルが照射されると、水素ラジカルによる窒素の還元処理がZrBN膜21の表面21aの全体で進行することになる。そして、ZrBN膜21の表面21aから少なくとも窒素がアンモニア等の揮発性ガスとして取り除かれて、当該表面21aが金属Zrあるいは導電性の硼化ジルコニウム(ZrB)になる。その結果、凹部20の底を構成する配線膜14と接するZrBN膜21の部分は、その導電性を維持することとなり、凹部20の内側面を構成する第2層間絶縁膜15や第3層間絶縁膜16と接するZrBN膜21の部分は、その表面21a(図3(a)においてドットを付した領域)が絶縁性から導電性へと改質される。
In the step of post-processing the
なお、こうした後処理の処理時間としては、上述のようにして導体化される厚さが目標となる厚さ(目標厚さT1)に到達するまでの目標処理時間を予め取得して、当該目標処理時間だけ実行される構成が好ましい。窒素を取り除く処理が過剰に行われるものなら、ZrBN膜21が本来有する電気伝導度の選択性も消失してしまう。反対に、窒素を取り除く処理が不足しようものなら、ZrBN膜21の表面21aにおける導体化の不足によって所望する銅めっき膜の埋め込み性が得られ難くなってしまう。この点、目標処理時間だけ後処理を実施する構成であれば、導体化されるZrBN膜の厚さが目標とする厚さで実現可能となり、上述するような導体化の過不足が抑制可能となる。
In addition, as the processing time of such post-processing, a target processing time until the thickness of the conductor as described above reaches a target thickness (target thickness T1) is acquired in advance, and the target A configuration that is executed only for the processing time is preferable. If the process of removing nitrogen is performed excessively, the selectivity of the electrical conductivity inherent in the
また、ZrBN膜21の表面21aが導電性を有するためには、最低一原子層のZrBNがZrあるいは導電性のZrBに改質される必要がある。このように導体化されるZrBN膜21の厚さは、凹部20の構造や上記後処理の条件に応じても異なる場合がある。それだけに、上述する目標処理時間も、凹部20における何処の部分で目標厚さT1を実現するかによって異なる場合がある。このような場合にあっては、凹部20の底の周辺における部位で目標厚さT1が実現されるように、上記目標処理時間が設定される構成が好ましい。こうした構成であれば、少なくとも凹部20の底の周辺においてZrBN膜21の導体化が担保されることになる。
Further, in order for the
このような後処理の態様の一例としては、上述した前処理の態様と同じく、例えばマイクロ波を受ける水素ガスが水素ラジカルを生成して、基板が収容される真空チャンバー内にこの水素ラジカルが供給される、そのような態様がある。このようにマイクロ波と水素ガスとを用いた前処理における処理条件の一例を以下に示す。
・基板温度:100℃〜250℃
・水素ガス流量:200sccm
・アルゴンガス流量:30sccm
・処理圧力:50〜500Pa
・マイクロ波出力:100W
凹部20の内側を銅シード膜22で被覆する工程(ステップS5)では、図3(b)に示されるように、上記ZrBN膜21の表面21aの全体に、銅めっき膜23の給電膜としての機能と、ZrBN膜21と銅めっき膜23との間の密着性を向上させる機能とを有する銅シード18が、銅ターゲットを用いるPVD法により形成される。導電体である銅シード膜22の構成材料とこれと異なる絶縁体との間の密着性は、導電体同士の間の密着性あるいは絶縁体同士の間の密着性と比較して一般に低くなる。そのため、PVD法による銅シード膜22が絶縁体上に形成されるとなれば、こうした銅シード膜22が導電体上に形成される場合と比較して、銅シード膜22の構成材料が粒状に凝集し易くなる。特に絶縁性を有する凹部20の底周辺にPVD法により銅シード膜22が被覆されるとなれば、凹部20が深くなるにつれて銅シード膜22の構成元素が凹部20の底に到達し難くなり、そこでの銅シード膜22の成長速度が遅くなるため、上述するような凝集がさらに容易に発生するようになる。As an example of such a post-processing mode, as in the above-described pre-processing mode, for example, hydrogen gas that receives microwaves generates hydrogen radicals, and the hydrogen radicals are supplied into a vacuum chamber in which the substrate is accommodated. There are such aspects. An example of processing conditions in the pretreatment using microwaves and hydrogen gas in this way is shown below.
-Substrate temperature: 100 ° C to 250 ° C
・ Hydrogen gas flow rate: 200sccm
Argon gas flow rate: 30sccm
・ Processing pressure: 50-500Pa
・ Microwave output: 100W
In the step of covering the inside of the
一方、上述のような構成であれば、銅シード膜22が形成されるときに、銅シード膜22の下地であるZrBN膜21の表面21a、特に凹部20の底周辺には、先行する上記後処理によって導電性が付与されている。それゆえに、上記後処理が施されていないZrBN膜21上に銅シード膜22を形成する場合と比較して、すなわち絶縁性を有するZrBN膜21上に銅シード膜22を形成する場合と比較して、ZrBN膜21と銅シード膜22との間の密着性が向上可能になる。よって、凹部20の側壁であれ、成膜速度が遅くなる凹部20の底周辺であれ、銅シード膜22における凝集が抑制可能となる。
On the other hand, with the configuration as described above, when the
凹部20の内側をめっき法により銅めっき膜23で充填する工程(ステップS6)では、図3(c)に示されるように、上記銅シード膜22の表面の全体に、凹部20の内側を埋めるかたちの銅めっき膜23が電解めっき法により形成される。この際、凝集状態にある銅シード膜22に対して電解めっき法が適用されるものなら、Cu粒子の間に酸性のめっき液が染み込むことになり、銅めっき膜23の成長速度よりもめっき液によるエッチング速度が大きくなってしまう。その結果、めっき法による銅めっき膜23が成長し難くなってしまう。
In the step of filling the inside of the
この点、上記銅シード膜22が形成された後のめっき工程では、銅シード膜22における粒状体そのものの成長が抑制されているために、こうした粒状体の間にめっき液が染み込むこともない。それゆえ、銅めっき膜の成長速度よりもめっき液によるエッチング速度が大きくなること、それ自体が抑制されることになる。したがって、図3(c)に示されるように、凹部20の全体にわたり、銅めっき膜23の埋め込み性を向上させることが可能になる。
In this regard, in the plating step after the
エッチングストッパ膜13c上に積層された各膜を研削する工程(Chemical Mechanical Pokishing工程:CMP工程(ステップS7))では、例えばアルミナを主材とするスラリーを用いたCMP法により、エッチングストッパ膜13c上に堆積した余剰の膜である、銅めっき膜23、銅シード膜22、及びZrBN膜21が、この順に研削される。この際、第3層間絶縁膜16上に他の配線構造が形成される場合、層間の絶縁性が確保されるためには、第3層間絶縁膜16上に堆積した導電体を完全に除去する必要がある。
In the step of grinding each film laminated on the
上述するようにZrBN膜21の表面21aのみが導体化される構成であれば、ZrBN膜21の全てを除去する構成と比較して、こうした表面21aを研磨して除去することも容易である。そのため、エッチングストッパ膜13c上のZrBN膜21に対し絶縁性が必要となる場合であっても、ZrBN膜21の本来有する電気伝導度の選択性が同ZrBN膜21の下層部21bで容易に引き出し可能となる。そのうえ、導体化されるZrBN膜21の厚さが目標厚さT1で規格化されるとなれば、CMP法により研削する膜厚も、銅めっき膜23の膜厚と銅シード膜22の膜厚とを積算した膜厚T2と、これに目標厚さT1とを加えた膜厚として規格化されることになる。そのため、CMP法により研削する膜厚の過不足が抑えられるために、上記電気伝導度の選択性がより確実に実現可能となる。
As described above, if only the
以上説明したように、上記実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
(1)表面が導体化されたZrBN膜21上に、PVD法による銅シード膜22が形成されることから、凹部20の底周辺においても、ZrBN膜21の表面が導体化されて、こうして導体化されたZrBN膜21上に銅シード膜22が形成されることになる。それゆえに、凹部20の内側の全体において、ZrBN膜21と銅シード膜22との密着性が向上されることになり、銅シード膜22における凝集が凹部20の内側の全体で抑制されることになる。As described above, according to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Since the
その結果、銅シード膜22が形成された後のめっき工程では、銅シード膜22における粒状体そのものの成長が抑制されているために、こうした粒状体の間にめっき液が染み込み難くなる。そして、銅めっき膜23の成長速度よりもめっき液によるエッチング速度が大きくなること、それ自体が抑制されることになる。したがって、凹部20の全体に対して銅めっき膜23の埋め込み性を向上させることが可能になる。
As a result, in the plating step after the
(2)そのうえ、銅シード膜22とZrBN膜21との間の密着性がこれらの全体で向上されることから、めっき液の染み込みを抑えるために銅シード膜22の膜厚を不要に厚くすることも抑えることが可能となり、ひいては銅シード膜22の膜厚自体を薄くすることも可能となる。
(2) In addition, since the adhesion between the
(3)水素ラジカルの照射によりZrBN膜21の表面を導体化させるために、このような導体化が実現可能な様々な物理的又は化学的な表面処理の中でも、ZrBN膜21に対する電気的及び熱的なダメージを軽減させることが可能になる。
(3) In order to make the surface of the
(4)ZrBN膜21の表面から窒素を取り除く処理が目標処理時間だけ実行されるだけに、導体化される厚さが目標厚さT1で実現されることとなり、ZrBN膜21における導体化の過不足が抑制可能となる。
(4) Since the process of removing nitrogen from the surface of the
(5)エッチングストッパ膜13c上に形成された余剰のZrBN膜21からは、導体化された分だけが研削されることになる。そのため、平坦化された基板上にZrBN膜21が残るとしても、こうしたZrBN膜21が絶縁性を有することになるため、ZrBN膜21が本来有する電気伝導度の選択性がより確実に実現可能になる。
(5) From the
(6)ZrBN膜21の下地の表面に水素ラジカルによる還元処理が施されるため、当該下地の表面に有機物等の絶縁性の異物が存在する場合であっても、これらの異物を取り除くことが可能となる。その結果、ZrBN膜21とそれの下地との間の密着性が向上可能になる。
(6) Since the surface of the underlayer of the
(7)ZrBN膜21の前処理とZrBN膜21の後処理とが、共通する水素ラジカルの照射処理であることから、これら前処理及び後処理を実施する上では、共通する水素ラジカル照射機構が使用可能となる。そのため、半導体装置における製造システムの観点からすれば、上述する前処理と後処理とを実施するための装置について共通化を図ることが可能となり、こうした半導体装置を製造する上において、装置占有面積の拡大を抑えることが可能にもなる。
(7) Since the pretreatment of the
なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・凹部20の内側に付着した残渣がZrBN膜21を形成する前に取り除かれる処理であれば、上述するような水素ラジカルの照射処理に代わり、還元性の雰囲気下で基板を熱処理する構成であってもよい。このような構成であっても、ZrBN膜21とその下地との密着性が向上可能である。In addition, the said embodiment can also be changed and implemented as follows.
If the residue adhered to the inside of the
・エッチングストッパ膜13c上に積層された各膜を除去する方法としては、上述したCMP法の他、物理的なエッチング法が適用可能である。こうした構成であれば、エッチングストッパ膜13c上に積層された各膜の一部を除去することが可能となる。
As a method of removing each film laminated on the
・凹部20の内側に残渣が付着していない構成、あるいは、このような残渣があってもZrBN膜21とその下地との間に十分な密着性が確保される構成であれば、上述するような前処理が割愛される構成であってもよい。このような構成であれば、ZrBN膜21に対する前処理が不要となることから、半導体装置の製造工程における工程数が低減可能となり、ひいては半導体装置の生産性が向上可能にもなる。
As described above, a configuration in which no residue adheres to the inside of the
・ZrBN膜21に関わる前処理、ZrBN膜21の成膜処理、ZrBN膜21に関わる後処理、及び銅シード膜22の成膜処理については、共通する真空系において連続的にて実行される構成が好ましい。こうした構成であれば、凹部20の内壁とZrBN膜21との界面、及びZrBN膜21と銅シード膜22との界面の各々が、大気に曝されることなく形成される。それゆえに、凹部20の内壁とZrBN膜21との界面、及びZrBN膜21と銅シード膜22との界面の各々において、密着性が向上可能となる。
A configuration in which pre-processing related to the
・ZrBN膜21の表面から窒素を取り除く処理としては、当該表面に水素ラジカルを照射する処理の他、例えば軽元素である窒素のみをZrBN膜21からスパッタする物理的な表面処理や、ZrBN膜21の表面における窒素のみを熱反応で還元して反応生成物として気化させる化学的な表面処理等が適用可能である。
As the process for removing nitrogen from the surface of the
・凹部20は接続孔17及び配線溝18から構成されるデュアルダマシンパターンに限定されない。凹部20は例えば接続孔17及び配線溝18の一方から構成されてもよい。
The
Claims (5)
前記硼窒化ジルコニウム膜の表面をPVD法により銅シード膜で被覆する工程と、
前記銅シード膜で被覆された前記凹部の内側をめっき法により銅めっき膜で充填する工程と、
前記硼窒化ジルコニウム膜の表面を前記銅シード膜で被覆する前に、前記硼窒化ジルコニウム膜の表面から、少なくとも窒素を取り除いて当該表面を導体化させる工程とを備え、
前記導体化される前記硼窒化ジルコニウム膜の厚さが目標の厚さに到達するまでの目標処理時間を予め取得し、前記窒素を取り除く処理を当該目標処理時間だけ実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Coating the inside of the recess of the insulating film on the substrate with a zirconium boronitride film;
Coating the surface of the zirconium boronitride film with a copper seed film by PVD method;
Filling the inside of the recess covered with the copper seed film with a copper plating film by a plating method;
Before covering the surface of the zirconium boronitride film with the copper seed film, removing at least nitrogen from the surface of the zirconium boronitride film, and making the surface conductive .
It wherein the thickness of said boronitride zirconium film is the conductor of the previously acquired the target process time to reach the target thickness, executes a process of removing the nitrogen only the target processing time A method for manufacturing a semiconductor device.
前記研削する工程では前記硼窒化ジルコニウム膜を前記目標となる厚さだけ研削することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。 A step of flattening the substrate by grinding a copper plating film, a copper seed film and the zirconium boronitride film formed on the insulating film by a CMP method;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 or 2 in the step of the grinding, wherein the grinding by a thickness which becomes the target of the boronitride zirconium film.
前記絶縁膜が有する接続孔の内側を前記硼窒化ジルコニウム膜で被覆する前に、前記絶縁膜及び前記導電膜の表面に水素ラジカルを照射することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 The concave portion of the insulating film is a connection hole connected to a conductive film that is a base of the insulating film,
Wherein an inner connection hole having an insulating film having before coating with the boronitride zirconium film, said insulating film and any one of claims 1-3, characterized in that irradiation of hydrogen radicals on the surface of the conductive layer A method for manufacturing the semiconductor device according to the item.
前記配線溝と接続孔を前記硼窒化ジルコニウム膜で被覆し、
水素ラジカルの照射により、前記配線溝と接続孔を被覆する前記硼窒化ジルコニウム膜の表面から少なくとも窒素を取り除いて当該表面を導体化させ、
その後、前記配線溝と接続孔を被覆する前記硼窒化ジルコニウム膜を前記銅シード膜で被覆することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 The recess is a dual damascene pattern including a wiring groove and a connection hole,
The wiring groove and the connection hole are covered with the zirconium boronitride film,
By irradiation with hydrogen radicals, at least nitrogen is removed from the surface of the zirconium boronitride film covering the wiring groove and the connection hole, and the surface is made into a conductor,
Then, a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that covering the boronitride zirconium film covering said wiring groove and the connection hole in the copper seed layer.
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