JP5595644B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、より詳細には、微細配線を有する半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having fine wiring and a manufacturing method thereof.
近年、半導体装置の微細化・高集積化に伴い多層配線構造が求められている。配線には、低抵抗化が図れ、高いエレクトロマイグレーション耐性を有するCu(銅)配線が用いられている。しかし、Cuはエッチングによる加工が困難であるという性質を有する。このため、Cu配線の形成方法として、ダマシン法が用いられている。 In recent years, with the miniaturization and high integration of semiconductor devices, a multilayer wiring structure is required. For the wiring, a Cu (copper) wiring having a low resistance and high electromigration resistance is used. However, Cu has a property that it is difficult to process by etching. For this reason, the damascene method is used as a formation method of Cu wiring.
また、Cuは酸化がされ易いという性質を有する。このため、Cu配線の表面には、酸化膜が形成され易い。この酸化膜により、Cu配線の抵抗が増加する等、配線の信頼性の低下を生じさせる場合がある。このような、Cu配線の表面の酸化を抑制する技術が、特許文献1から特許文献3に開示されている。例えば、特許文献1及び特許文献2には、Cu配線の表面を窒化膜で覆うことや、Cu配線の表面にCuシリサイド層を形成することで、Cu配線の表面が酸化されることを抑制する技術が開示されている。例えば、特許文献3には、ダマシン法における研磨工程の前に、Cu膜にSi(シリコン)を導入し、アニール処理によるCuのグレイン成長と共にSiをCu膜内に拡散させ、Cu配線全体をCuSi合金とすることで、Cu配線の表面が酸化されることを抑制する技術が開示されている。
しかしながら、Cu配線の表面を窒化膜で覆う方法は、窒化膜との境界近傍のCu配線にボイドが発生する場合がある。ここで、図1(a)から図2(c)を用い、Cu配線の表面を窒化膜で覆う場合の製造方法の一例と、Cu配線に発生するボイドとについて説明する。まず、図1(a)のように、半導体素子(不図示)等が形成された半導体基板50上に、第1酸化膜52aを形成し、フォトリソ技術及びエッチング技術を用いて、第1酸化膜52aに第1溝部54aを形成する。
However, in the method of covering the surface of the Cu wiring with the nitride film, a void may be generated in the Cu wiring near the boundary with the nitride film. Here, an example of a manufacturing method in the case where the surface of the Cu wiring is covered with a nitride film and voids generated in the Cu wiring will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 1A, a
図1(b)において、Cuの拡散を防止するためのバリア層56と、メッキ成長を容易にするためのCuシード層58とを順次形成する。その後、電解メッキ法により、Cu膜60を形成する。
In FIG. 1B, a
図1(c)において、CMP(化学機械研磨)法を用いて、第1酸化膜52a上のCu膜60等を除去、平坦化し、第1溝部54a内にCuからなる第1配線層62aを形成する。その後、第1配線層62aの表面にプラズマ処理を行い、第1配線層62aの表面に形成された酸化膜(不図示)等を除去する。次いで、第1配線層62a上と第1酸化膜52a上とに第1窒化膜64aを形成する。
In FIG. 1C, the CMP film (chemical mechanical polishing) method is used to remove and planarize the
次に、図2(a)において、第1窒化膜64a上に、第2酸化膜52bを形成し、フォトリソ技術及びエッチング技術を用いて、第2酸化膜52bと第1窒化膜64aとにビア孔68を形成する。
Next, in FIG. 2A, a
図2(b)において、バリア層56とCuシード層58とを順次形成した後、Cu膜(不図示)を形成する。そして、第2酸化膜52b上のCu膜等を除去、平坦化し、ビア孔68内にCuからなるビア66を形成する。ビア66の表面にプラズマ処理を行い、ビア66の表面に形成された酸化膜(不図示)等を除去する。次いで、ビア66上と第2酸化膜52b上とに第2窒化膜64bを形成する。
In FIG. 2B, a
図2(c)において、第2窒化膜64b上に、第3酸化膜52cを形成し、ビア66に達するように、第3酸化膜52cと第2窒化膜64bとに第2溝部54bを形成する。その後、バリア層56とCuシード層58とを順次形成した後、Cu膜(不図示)を形成する。そして、第3酸化膜52c上のCu膜等を除去、平坦化し、第2溝部54b内にCuからなる第2配線層62bを形成する。第2配線層62bの表面にプラズマ処理を行い、第2配線層62bの表面に形成された酸化膜(不図示)を除去する。次いで、第2配線層62b上と第3酸化膜52c上とに第3窒化膜64cを形成する。これにより、Cu配線を用いた多層配線構造が形成される。
In FIG. 2C, a
このような製造方法を用いると、図2(c)で示すように、第1窒化膜64aとの境界近傍の第1配線層62aに、ボイド70が発生する場合がある。ボイド70は、第1配線層62a中のCu原子の第1窒化膜64aへのエレクトロマイグレーションにより発生すると考えられる。第1配線層62a中にボイド70が形成されると、第1配線層62aの抵抗が増加してしまうという課題が生じる。
When such a manufacturing method is used, as shown in FIG. 2C, a
また、特許文献1のCu配線の表面にCuシリサイド層を形成する方法によれば、Cu配線の表面に、5〜50nm程度の厚さのCuシリサイド層が形成される。Cu配線が微細になると、5〜50nm程度の厚さのCuシリサイド層による、Cu配線の抵抗の増加が課題となる場合がある。また、特許文献3のCu配線全体をCuSi合金とする方法によれば、Cu配線の抵抗が増加してしまうという課題がある。
Further, according to the method of forming a Cu silicide layer on the surface of the Cu wiring in
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、配線層からの配線材料のエレクトロマイグレーションを抑制することができ、且つ配線抵抗の増加を抑制することが可能な半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a semiconductor device capable of suppressing electromigration of a wiring material from a wiring layer and suppressing an increase in wiring resistance, and a method for manufacturing the same. The purpose is to do.
本発明は、半導体基板上に形成された絶縁膜に溝部を形成する工程と、前記溝部に埋め込まれるように、前記絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に形成された前記金属膜を平坦化し、前記溝部に前記金属膜からなる配線層を形成する工程と、前記配線層の表面に形成された酸化膜を除去するため、前記配線層の表面にプラズマ処理を行う工程と、前記プラズマ処理を行う工程の後、前記半導体基板を大気に曝すことなく、前記半導体基板にシラン系ガスを含むガス雰囲気中で熱処理を行う工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、配線層の表面にシリサイド層が形成されるため、配線層中の配線材料のエレクトロマイグレーションを抑制することができる。これにより、配線層にボイドが発生することを抑え、配線層の抵抗増加を抑制することができる。また、シリサイド層は、酸化膜を介在することなく、配線層の表面に形成されるため、これによっても、配線層の抵抗増加を抑制することができる。 The present invention includes a step of forming a groove in an insulating film formed on a semiconductor substrate, a step of forming a metal film on the insulating film so as to be embedded in the groove, and a step formed on the insulating film. Flattening the metal film, forming a wiring layer made of the metal film in the groove, and performing plasma treatment on the surface of the wiring layer in order to remove the oxide film formed on the surface of the wiring layer And a step of performing a heat treatment in a gas atmosphere containing a silane-based gas without exposing the semiconductor substrate to the atmosphere after the step of performing the plasma treatment. It is a manufacturing method. According to the present invention, since the silicide layer is formed on the surface of the wiring layer, electromigration of the wiring material in the wiring layer can be suppressed. Thereby, generation | occurrence | production of a void in a wiring layer can be suppressed and the increase in resistance of a wiring layer can be suppressed. Further, since the silicide layer is formed on the surface of the wiring layer without interposing an oxide film, the increase in resistance of the wiring layer can also be suppressed by this.
上記構成において、前記プラズマ処理を行う工程は、前記半導体基板をアンモニアガス雰囲気中、水素ガス雰囲気中、及びヒドラジンガス雰囲気中のいずれかの雰囲気中に曝して、前記配線層の表面にプラズマ処理を行う工程である構成とすることができる。この構成によれば、配線層の表面上の酸化膜を除去することができる。 In the above-described configuration, the step of performing the plasma treatment includes exposing the semiconductor substrate to any one of an ammonia gas atmosphere, a hydrogen gas atmosphere, and a hydrazine gas atmosphere to perform the plasma treatment on the surface of the wiring layer. It can be set as the structure which is a process to perform. According to this configuration, the oxide film on the surface of the wiring layer can be removed.
上記構成において、前記熱処理を行う工程は、モノシランガスまたはジシランガスを含むガス雰囲気中で、前記半導体基板に熱処理を行う工程である構成とすることができる。 In the above structure, the step of performing the heat treatment may be a step of performing a heat treatment on the semiconductor substrate in a gas atmosphere containing monosilane gas or disilane gas.
上記構成において、前記プラズマ処理を行う工程は、前記半導体基板をアンモニアガス雰囲気中に曝して、前記配線層の表面にプラズマ処理を行う工程であり、前記熱処理を行う工程は、前記アンモニアガス雰囲気中にモノシランガスを導入して、前記アンモニアガスと前記モノシランガスとの混合ガス雰囲気中で、前記半導体基板に熱処理を行う工程である構成とすることができる。この構成によれば、製造効率の向上を図ることができる。 In the above configuration, the step of performing the plasma treatment is a step of exposing the semiconductor substrate to an ammonia gas atmosphere and performing a plasma treatment on the surface of the wiring layer, and the step of performing the heat treatment is performed in the ammonia gas atmosphere. The monosilane gas is introduced into the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate is heat-treated in a mixed gas atmosphere of the ammonia gas and the monosilane gas. According to this configuration, it is possible to improve manufacturing efficiency.
上記構成において、前記熱処理を行う工程は、前記半導体基板に0.5秒から2秒の前記熱処理を行う工程である構成とすることができる。この構成によれば、配線層の抵抗増加を最小限に抑えることができる。 In the above structure, the step of performing the heat treatment may be a step of performing the heat treatment for 0.5 second to 2 seconds on the semiconductor substrate. According to this configuration, an increase in resistance of the wiring layer can be minimized.
上記構成において、前記金属膜の結晶性を向上させるため、前記金属膜にアニールを行う工程を有し、前記金属膜にアニールを行う工程は、前記熱処理を行う工程の前に実施する構成とすることができる。この構成によれば、配線層の抵抗増加を抑制することができる。 In the above structure, in order to improve the crystallinity of the metal film, there is a step of annealing the metal film, and the step of annealing the metal film is performed before the step of performing the heat treatment. be able to. According to this configuration, an increase in resistance of the wiring layer can be suppressed.
上記構成において、前記熱処理を行う工程は、前記配線層の表面が活性化された状態で、前記熱処理を行う工程である構成とすることができる。また、上記構成において、前記配線層は銅配線である構成とすることができる。 In the above configuration, the step of performing the heat treatment may be a step of performing the heat treatment in a state where the surface of the wiring layer is activated. Moreover, the said structure WHEREIN: The said wiring layer can be set as the structure which is a copper wiring.
本発明は、半導体基板上に設けられた溝部を有する絶縁膜と、前記溝部に埋め込まれるように設けられた配線層と、前記配線層の表面に形成されたシリサイド層と、を具備し、前記配線層と前記シリサイド層との間には、酸化膜が介在していないことを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、配線層の表面にシリサイド層が形成されているため、配線層中の配線材料のエレクトロマイグレーションを抑制することができる。これにより、配線層にボイドが発生することを抑え、配線層の抵抗増加を抑制することができる。また、シリサイド層は、酸化膜を介在することなく、配線層の表面に形成されているため、これによっても、配線層の抵抗増加を抑制することができる。 The present invention comprises an insulating film having a groove provided on a semiconductor substrate, a wiring layer provided so as to be embedded in the groove, and a silicide layer formed on a surface of the wiring layer, The semiconductor device is characterized in that no oxide film is interposed between the wiring layer and the silicide layer. According to the present invention, since the silicide layer is formed on the surface of the wiring layer, the electromigration of the wiring material in the wiring layer can be suppressed. Thereby, generation | occurrence | production of a void in a wiring layer can be suppressed and the increase in resistance of a wiring layer can be suppressed. Further, since the silicide layer is formed on the surface of the wiring layer without interposing an oxide film, this can also suppress an increase in resistance of the wiring layer.
上記構成において、前記配線層は銅配線である構成とすることができる。 The said structure WHEREIN: The said wiring layer can be set as the structure which is a copper wiring.
本発明によれば、配線層の表面にシリサイド層が形成されるため、配線層中の配線材料のエレクトロマイグレーションを抑制することができる。これにより、配線層にボイドが発生することを抑え、配線層の抵抗増加を抑制することができる。また、シリサイド層は、酸化膜を介在することなく、配線層の表面に形成されるため、これによっても、配線層の抵抗増加を抑制することができる。 According to the present invention, since the silicide layer is formed on the surface of the wiring layer, electromigration of the wiring material in the wiring layer can be suppressed. Thereby, generation | occurrence | production of a void in a wiring layer can be suppressed and the increase in resistance of a wiring layer can be suppressed. Further, since the silicide layer is formed on the surface of the wiring layer without interposing an oxide film, the increase in resistance of the wiring layer can also be suppressed by this.
以下、図面を用い本発明に係る実施例について説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図3(a)から図6(b)を用い、実施例1に係る半導体装置の製造方法を説明する。なお、実施例1は、SONOS型構造をした不揮発性半導体装置の場合を例に説明する。図3(a)において、例えばP型Si(シリコン)基板である半導体基板10上に、酸化膜、窒化膜、酸化膜からなるONO膜14を形成する。ONO膜14上に形成されたマスク層(不図示)をマスクに、半導体基板10に、例えばAs(砒素)をイオン注入する。これにより、半導体基板10内を延伸するように、N型拡散領域であるビットライン12が形成される。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. The first embodiment will be described by taking a nonvolatile semiconductor device having a SONOS type structure as an example. In FIG. 3A, an
図3(b)において、ONO膜14上に、ビットライン12の延伸方向に交差する方向に延伸するワードライン(不図示)を形成する。ワードラインを覆うようにONO膜14上に、例えばBPSG(Boron-doped Phospho Silicate Glass)膜16を形成する。BPSG膜16上に、例えば窒化膜からなるキャップ層18を形成する。
In FIG. 3B, a word line (not shown) extending in the direction intersecting the extending direction of the
図3(c)において、キャップ層18上に、例えばレジストからなるマスク層20を形成し、パターン化する。
In FIG. 3C, a
図4(a)において、マスク層20をマスクに、例えばRIE(反応性イオンエッチング)法を用いて、キャップ層18とBPSG膜16とONO膜14とをエッチングする。これにより、キャップ層18とBPSG膜16とONO膜14とを貫通し、ビットライン12の表面が露出するコンタクトホール22が形成される。
4A, using the
図4(b)において、コンタクトホール22の内面に沿うように、例えばCVD法を用いてTa(タンタル)膜を堆積する。次に、コンタクトホール22に埋め込まれるように、例えばCVD法を用いてW(タングステン)膜を堆積する。その後、例えばCMP(化学機械研磨)法を用いて、キャップ層18上に形成された、Ta膜とW膜とを除去し、平坦化する。これにより、コンタクトホール22の内面に沿うように、Ta膜からなるバリア層24が形成され、バリア層24の表面上に、コンタクトホール22に埋め込まれるように、W膜からなるコンタクトプラグ26が形成される。ここで、バリア層24は、W原子がBPSG膜16に拡散することを抑制するために形成されている。また、コンタクトプラグ26は、ビットライン12と後述するCu配線とを電気的に接続するために用いられる。
In FIG. 4B, a Ta (tantalum) film is deposited along the inner surface of the
図4(c)において、コンタクトプラグ26上とキャップ層18上とに、例えばCVD法を用いて、窒化膜28を形成する。窒化膜28上に、例えばCVD法を用いて酸化膜からなる第1絶縁膜30を形成する。第1絶縁膜30上に形成されたマスク層(不図示)をマスクに、例えばRIE法を用いて、第1絶縁膜30と窒化膜28とをエッチングする。これにより、第1絶縁膜30と窒化膜28とに、溝部32が形成される。また、溝部32の底面には、コンタクトプラグ26の表面が露出している。
In FIG. 4C, a
図5(a)において、溝部32の内面に沿うように、例えばCVD法を用いてTa膜を堆積する。これにより、溝部32の内面に沿うように、Ta膜からなるバリア層34が形成される。次に、バリア層34の表面に沿うように、例えばCVD法を用いてCu膜を堆積する。これにより、バリア層34の表面を沿うように、Cuシード層36が形成される。その後、例えば電解メッキ法を用いて、溝部32に埋め込まれるように、第1絶縁膜30上にCu膜38を形成する。ここで、バリア層34は、Cu原子が第1絶縁膜30に拡散することを抑制するために形成されている。また、Cuシード層36は、Cuのメッキ成長を容易にするために形成されている。
In FIG. 5A, a Ta film is deposited along the inner surface of the
図5(b)において、Cu膜38の結晶性を向上させるため、例えばN2(窒素)ガス雰囲気中で、Cu膜38にアニールを行った後、例えばCMP法を用いて、第1絶縁膜30上のCu膜38等を除去、平坦化し、溝部32内にCuからなるCu配線40を形成する。ここで、CMP法を用いてCu配線40を形成した後、Cu配線40の表面は大気に曝されることになる。このため、Cu配線40の表面には酸化膜42が形成されてしまう。
In FIG. 5B, in order to improve the crystallinity of the
次に、表1で示すSTEP1からSTEP4の製造工程を順次実行する。ここで、表1に示す、STEP1からSTEP4は、半導体基板10を大気に曝すことなく、同一チャンバー内で連続して実行する。
表1及び図5(c)において、まず、半導体基板10をチャンバー内にセットする。その後、チャンバー内に、例えばNH3(アンモニア)ガスとN2(窒素)ガスとを導入し、半導体基板10の温度が400℃になるまで加熱する(表1のSTEP1)。その後、RFパワーをONにする(表1のSTEP2)。これにより、Cu配線40の表面にプラズマ処理が実施される。このプラズマ処理により、Cu配線40の表面に形成された酸化膜42やその他の不純物が除去される。
In Table 1 and FIG. 5C, first, the
表1及び図6(a)において、RFパワーをOFFにした後、チャンバー内に、例えばSiH4(モノシラン)ガスを導入する(表1のSTEP3)。STEP3における、SiH4ガスを導入する時間は、例えば1秒間である。ここで、Cu配線40の表面は、STEP2におけるプラズマ処理により、活性化された状態になっている。このため、STEP3のように、RFパワーがOFFの状態で、SiH4ガスを1秒間という非常に短い時間導入することで、即ち、NH3ガスとSiH4ガスとの混合ガス雰囲気中で、半導体基板10を400℃で1秒間熱処理することで、Cu配線40の表面に数nmと非常に薄いCuシリサイド層44を形成することができる。
In Table 1 and FIG. 6A, after turning off the RF power, for example, SiH 4 (monosilane) gas is introduced into the chamber (
表1及び図6(b)において、チャンバー内にNH3ガス、SiH4ガス及びN2ガスを導入した状態で、RFパワーをONにする(表1のSTEP4)。これにより、Cu配線40上及び第1絶縁膜30上に、例えば窒化膜からなる第2絶縁膜46が形成される。
In Table 1 and FIG. 6B, the RF power is turned on with the NH 3 gas, SiH 4 gas and N 2 gas introduced into the chamber (STEP 4 in Table 1). As a result, a second insulating
実施例1の製造方法によれば、図4(c)のように、半導体基板10上に形成された第1絶縁膜30と窒化膜28とに、溝部32を形成した後、図5(a)のように、溝部32に埋め込まれるように、第1絶縁膜30上にCu膜38を形成する。その後、図5(b)のように、第1絶縁膜30上のCu膜38を、CMP法等により除去、平坦化し、溝部32内にCu配線40を形成する。そして、図5(c)のように、NH3ガス雰囲気中で、Cu配線40にプラズマ処理を実施し、Cu配線40の表面に形成された酸化膜42や不純物を除去する。図6(a)のように、NH3ガス雰囲気中にSiH4ガスを導入し、半導体基板10を大気に曝すことなく、NH3ガスとSiH4ガスとの混合ガス雰囲気中で、半導体基板10に1秒間の熱処理を行い、Cu配線40の表面にCuシリサイド層44を形成する。
According to the manufacturing method of the first embodiment, as shown in FIG. 4C, after the
このような製造方法により、図6(b)のように、Cu配線40上に、酸化膜を介在させることなく、Cuシリサイド層44を形成することができる。Cu配線40の表面にCuシリサイド層44が形成され、Cuシリサイド層44上に第2絶縁膜46が形成されることで、Cu配線40の表面上に第2絶縁膜46が直接形成されている場合に比べ、Cu配線40中のCu原子の第2絶縁膜46へのエレクトロマイグレーションを抑制することができる。
By such a manufacturing method, as shown in FIG. 6B, the
このため、図2(c)で示したような、第1窒化膜64a(実施例1において、第2絶縁膜46に相当)との境界近傍の第1配線層62a(実施例1において、Cu配線40に相当)にボイド70が形成されることを抑制できる。つまり、ボイド70の発生によるCu配線40の抵抗増加を抑制することができる。
For this reason, as shown in FIG. 2C, the
また、実施例1を、図2(c)で示したような多層配線構造とした場合に、Cu配線40とCuシリサイド層44との間に、酸化膜が介在していないことで、上層のCu配線40と下層のCu配線40との接触抵抗の増加を抑制することができる。また、Cu配線40の表面にCuシリサイド層44が形成されていることで、図2(a)のようなビア孔68を形成した場合でも、Cu配線40の表面を大気に露出させずに済む。このため、Cu配線40の表面に酸化膜が形成され難くなり、上層のCu配線40と下層のCu配線40との接触抵抗の増加を抑制することができる。
Further, when Example 1 has a multilayer wiring structure as shown in FIG. 2C, the oxide film is not interposed between the
さらに、図5(b)のように、Cu膜38の結晶性を向上させるためのアニールを行った後、図6(a)のように、NH3ガスとSiH4ガスとの混合ガス雰囲気中で半導体基板10に熱処理を行い、Cu配線40の表面にCuシリサイド層44を形成している。特許文献3のように、Cu膜中にSiを導入した後、Cu膜にアニールを行うと、SiがCu膜全体に拡散し、Cu膜(Cu配線)の抵抗が増加してしまう。しかしながら、実施例1によれば、Cu膜38へのアニールを行った後、Cuシリサイド層44を形成しているため、Cuシリサイド層44は、Cu配線40の表面にのみ形成することができる。したがって、特許文献3に比べて、Cu配線40の抵抗増加を抑制することができる。
Further, after annealing for improving the crystallinity of the
さらに、表3のSTEP3のように、NH3ガスとSiH4ガスとの混合ガス雰囲気中で行う熱処理の温度が400℃と低く、熱処理の時間が1秒間と短いため、Cu配線40上に形成されるCuシリサイド層44の厚さを、数nmと非常に薄くすることができる。このように、実施例1によれば、Cuシリサイド層44の厚さを非常に薄くすることできるため、Cu配線40の抵抗増加を最小限に抑制することができる。
Furthermore, as shown in
実施例1において、表1のSTEP3のように、RFパワーをOFFにした状態で、SiH4ガスを導入する時間は、1秒間である場合を例に示したが、これに限られない。言い換えると、NH3ガスとSiH4ガスとの混合ガス雰囲気中で、半導体基板10に熱処理を行う時間は、1秒間である場合を例に示したが、これに限られない。Cu配線40の表面に形成されるCuシリサイド層44の厚さが十分に小さく、Cu配線40の抵抗増加が十分に抑制できる範囲であれば、熱処理の時間は1秒間以外の場合でもよい。
In the first embodiment, as shown in
ここで、図7に、NH3ガスとSiH4ガスとの混合ガス雰囲気中で半導体基板10に行う熱処理の時間(表1のSTEP3)を、0秒、1秒、及び2秒のそれぞれの条件で製造した半導体装置における、Cu配線40の抵抗値の一例を示す。なお、熱処理の時間を0秒で製造した半導体装置を実験例1とし、熱処理の時間を1秒で製造した半導体装置を実験例2とし、熱処理の時間を2秒で製造した半導体装置を実験例3とする。また、参考として、Cu配線40表面へのプラズマ処理(表1のSTEP2)と、NH3ガスとSiH4ガスとの混合ガス雰囲気中での半導体基板10への熱処理(表1のSTEP3)と、を行わずに製造した半導体装置(比較例1)についても図示する。即ち、比較例1に係る半導体装置は、図6(c)において、Cu配線40の表面にCuシリサイド層44が形成されてなく、代わりに、酸化膜42が形成されている。また、図7中の測定結果は、ウエハ内の複数の測定点についての結果を示している。
Here, FIG. 7 shows the time of heat treatment (
図7によれば、プラズマ処理と熱処理とを行っていない比較例1に比べて、プラズマ処理を行い、熱処理の時間が0秒である実験例1は、Cu配線40の抵抗値が下がっていることが分かる。これは、Cu配線40にプラズマ処理を行うことで、Cu配線40表面に形成された酸化膜42や不純物が除去された為であると考えられる。また、実験例1、実験例2、実験例3のように、熱処理の時間が長くなるに従い、Cu配線40の抵抗値も大きくなっていることが分かる。これは、Cu配線40の表面に形成されるCuシリサイド層44の厚さが大きくなる為であると考えられる。
According to FIG. 7, the resistance value of the
ここで、図8に、実験例1から実験例3それぞれについて、ウエハ内の複数の測定点で測定した抵抗値の平均値を表す。図8の横軸は、熱処理時間(秒)を示していて、縦軸は、実験例1の抵抗値で規格化した抵抗値を示している。また、図8中の実線は、近似曲線を示している。図8によれば、実験例1のCu配線40の抵抗値に比べて、実験例2の抵抗値は1.1倍程度となり、実験例3の抵抗値は1.5倍程度となっている。そして、熱処理時間が2秒を超えると、実験例1の抵抗値に対して、1.5倍程度以上の抵抗値となり、熱処理時間が3秒になると、実験例1の抵抗値の2倍以上となる。
Here, FIG. 8 shows an average value of resistance values measured at a plurality of measurement points in the wafer for each of Experimental Examples 1 to 3. The horizontal axis in FIG. 8 indicates the heat treatment time (seconds), and the vertical axis indicates the resistance value normalized by the resistance value of Experimental Example 1. Further, the solid line in FIG. 8 indicates an approximate curve. According to FIG. 8, compared with the resistance value of the
このように、NH3ガスとSiH4ガスとの混合ガス雰囲気中で、半導体基板10に行う熱処理の時間が長くなるほど、Cu配線40の抵抗値は増加する。特に、熱処理の時間が2秒を超えると、Cu配線40の抵抗値は急激に増加することが分かる。したがって、Cu配線40の抵抗値の増加を考慮し、Cu配線40の抵抗値を実用的な範囲内に収めるため、NH3ガスとSiH4ガスとの混合ガス雰囲気中で行う熱処理の時間は、2秒以下である場合が好ましく、更には、1秒以下である場合がより好ましい。言い換えると、熱処理の時間が0秒である場合のCu配線40の抵抗値に対して、Cu配線40の抵抗値が1.5倍以下となるような熱処理の時間が好ましく、更には、Cu配線40の抵抗値が1.1倍以下となるような熱処理の時間がより好ましい。また、これらを比抵抗で言い表すと、熱処理の時間が0秒である場合のCu配線40の比抵抗は、ほぼバルクのCuの比抵抗と等しく、熱処理の時間が2秒である場合のCu配線40の比抵抗は、バルクのCuの比抵抗の1.5倍程度になる。更には、熱処理の時間が1秒である場合のCu配線40の比抵抗は、バルクのCuの比抵抗の1.1倍程度になる。つまり、Cu配線40の比抵抗をバルクのCuの比抵抗の1.5倍以下になるような熱処理の時間が好ましく、更には、バルクのCuの比抵抗の1.1倍以下になるような熱処理の時間がより好ましい。半導体基板10に行う熱処理の時間を、このような時間にすることで、Cu配線40の抵抗値の増加を最小限に抑えることができる。
Thus, the resistance value of the
また、Cu配線40の表面にCuシリサイド層44が形成されていないと、図2(c)で示したように、エレクトロマイグレーションによるボイドが発生し、Cu配線40の抵抗値が増加してしまう。したがって、Cu配線40の表面にCuシリサイド層44が確実に形成されることを考慮して、熱処理の時間は0.5秒以上である場合が好ましい。
If the
また、実施例1において、NH3ガスとSiH4ガスとの混合ガス雰囲気中で行う、半導体基板10への熱処理の温度は、400℃である場合を例に示したが、これに限られない。Cuシリサイド層44の厚さが十分に小さく、Cu配線40の抵抗増加が十分に小さくなるような温度で、熱処理を行う場合でもよい。例えば、100℃から500℃のような、低温で熱処理する場合が好ましい。また、熱処理の温度に応じて、熱処理の時間を変化させることが好ましい。
Further, in Example 1, carried out in a mixed gas atmosphere of NH 3 gas and the SiH 4 gas, the temperature of the heat treatment to the
実施例1において、図5(c)のように、NH3ガス雰囲気中でプラズマ処理を行うことで、Cu配線40の表面に形成された酸化膜42を除去する場合を例に示したが、これに限られない。例えば、H2(水素)ガス雰囲気中、N2H4(ヒドラジン)ガス雰囲気中でプラズマ処理を行った場合でも、Cu配線40の表面に形成された酸化膜42を除去することができる。
In Example 1, the case where the
また、図6(a)のように、SiH4ガスとNH3ガスとの混合ガス雰囲気中で、半導体基板10に熱処理を行い、Cu配線40の表面にCuシリサイド層44を形成する場合を例に示したが、これに限られない。SiH4ガスやSi2H6(ジシラン)ガス等、Si(ケイ素)とH(水素)との化合物を含むガス(シラン系ガス)雰囲気中で熱処理を行うことで、Cu配線40の表面にCuシリサイド層44を形成することができる。
Further, as shown in FIG. 6A, an example in which a heat treatment is performed on the
しかしながら、実施例1の製造方法のように、Cu配線40の表面にNH3ガス雰囲気中でプラズマ処理を行うことで、Cu配線40表面に形成された酸化膜42等を除去し、NH3ガスとSiH4ガスとの混合ガス雰囲気中で、半導体基板10に熱処理を行うことで、Cu配線40の表面にCuシリサイド層44を形成する場合が好ましい。この製造方法によれば、表1のように、NH3ガスが充満したチャンバー内で、半導体基板10にプラズマ処理を実施(表1のSTEP2)して、Cu配線40の表面の酸化膜42等を除去した後、チャンバー内にSiH4ガスを導入(表1のSTEP3)して、半導体基板10を熱処理することで、Cu配線40の表面にCuシリサイド層44を形成することができる。即ち、Cu配線40表面に形成された酸化膜42等の除去と、Cu配線40表面のCuシリサイド層44の形成とを、同一チャンバー内で連続して行うことができる。したがって、酸化膜を介在させず、Cu配線40の表面にCuシリサイド層44を形成することを、製造効率よく行うことができる。さらに、表1のSTEP4及び図6(b)のように、Cuシリサイド層44上及び第1絶縁膜30上に形成する第2絶縁膜46も、同一チャンバー内で連続して形成することができる。したがって、この点においても、製造効率の向上を図ることができる。
However, as in the manufacturing method of the first embodiment, plasma treatment is performed on the surface of the
実施例1において、SONOS型構造をした不揮発性半導体装置の場合を例に示して説明したが、これに限られるわけではない。これ以外の半導体装置の場合であっても、図4(c)から図6(b)で示したCu配線40の製造方法を用いることで、エレクトロマイグレーションを抑制でき、且つCu配線の抵抗増加を最小限に抑えることが可能となる。しかしながら、実施例1で示したような、SONOS型構造の不揮発性半導体装置の場合、コンタクトプラグ26上に形成されるCu配線40は、非常にピッチが狭く、微細である。このため、Cu配線40の抵抗増加を最小限に抑えるという本発明の効果がより大きくなる。なお、溝部32に埋め込まれるように形成される配線層は、Cu配線40である場合を例に示したが、これに限られず、その他の材料からなる場合でもよい。
In the first embodiment, the case of a nonvolatile semiconductor device having a SONOS structure has been described as an example, but the present invention is not limited to this. Even in the case of other semiconductor devices, electromigration can be suppressed and the resistance of the Cu wiring can be increased by using the method for manufacturing the
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims.・ Change is possible.
10 半導体基板
12 ビットライン
14 ONO膜
16 BPSG膜
18 キャップ層
20 マスク層
22 コンタクトホール
24 バリア層
26 コンタクトプラグ
28 窒化膜
30 第1絶縁膜
32 溝部
34 バリア層
36 Cuシード層
38 Cu膜
40 Cu配線
42 酸化膜
44 Cuシリサイド層
46 第2絶縁膜
50 半導体基板
52a 第1酸化膜
52b 第2酸化膜
52c 第3酸化膜
54a 第1溝部
54b 第2溝部
56 バリア層
58 Cuシード層
60 Cu膜
62a 第1配線層
62b 第2配線層
64a 第1窒化膜
64b 第2窒化膜
64c 第3窒化膜
66 ビア
68 ビア孔
70 ボイド
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記溝部に埋め込まれるように、前記絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に形成された前記金属膜を平坦化し、前記溝部に前記金属膜からなる配線層を形成する工程と、
前記配線層の表面に形成された酸化膜を除去するため、前記配線層の表面にプラズマ処理を行う工程と、
前記配線層の表面にシリサイド層を形成するため、前記プラズマ処理を行う工程の後、前記半導体基板を大気に曝すことなく、シラン系ガスを含むガス雰囲気中で、前記半導体基板に熱処理を行う工程と、
前記熱処理を行う工程の後、前記シリサイド層の表面に窒化膜を形成する工程と、を含み、
前記配線層は銅配線であり、
前記熱処理は、前記プラズマ処理のガス雰囲気中に前記シラン系ガスを導入した混合ガス雰囲気中で行われる、半導体装置の製造方法。 Forming a groove in an insulating film formed on the semiconductor substrate;
Forming a metal film on the insulating film so as to be embedded in the groove,
Flattening the metal film formed on the insulating film and forming a wiring layer made of the metal film in the groove;
Performing plasma treatment on the surface of the wiring layer in order to remove the oxide film formed on the surface of the wiring layer;
A step of heat-treating the semiconductor substrate in a gas atmosphere containing a silane-based gas without exposing the semiconductor substrate to the air after the step of performing the plasma treatment in order to form a silicide layer on the surface of the wiring layer; When,
After the step of performing the heat treatment, forming a nitride film on the surface of the silicide layer,
The wiring layer is Ri copper wiring der,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the heat treatment is performed in a mixed gas atmosphere in which the silane-based gas is introduced into a gas atmosphere of the plasma treatment .
前記熱処理を行う工程は、前記アンモニアガス雰囲気中にモノシランガスを導入し、前記アンモニアガスと前記モノシランガスとの混合ガス雰囲気中で、前記半導体基板に熱処理を行う工程である、請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The step of performing the plasma treatment is a step of exposing the semiconductor substrate to an ammonia gas atmosphere and performing a plasma treatment on the surface of the wiring layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the step of performing the heat treatment is a step of introducing a monosilane gas into the ammonia gas atmosphere and performing a heat treatment on the semiconductor substrate in a mixed gas atmosphere of the ammonia gas and the monosilane gas. Manufacturing method.
前記金属膜にアニールを行う工程は、前記熱処理を行う工程の前に実施する、請求項1から5のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。 In order to improve the crystallinity of the metal film, the method includes annealing the metal film,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of annealing the metal film is performed before the step of performing the heat treatment.
前記絶縁膜が前記コンタクトプラダ上に形成される、請求項1から7のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film is formed on the contact ladder.
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