JP5747406B2 - Method for evaluating crystal grain size and grain size distribution of metal layer and method for manufacturing semiconductor integrated circuit device using the same - Google Patents

Method for evaluating crystal grain size and grain size distribution of metal layer and method for manufacturing semiconductor integrated circuit device using the same Download PDF

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本発明は配線導体として広く使用される金属層の結晶粒径及び粒径分布評価方法並びにそれを用いた半導体集積回路装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for evaluating the crystal grain size and grain size distribution of a metal layer widely used as a wiring conductor, and a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device using the same.

半導体集積回路装置はムーアの法則で言われている3年で集積度が4倍になるというハイスピードで高集積度化が進められている。この集積度向上のための目安になっているのが国際半導体技術ロードマップ(International Technology Roadmap for Semiconductor)で、2007年版(ITRS 2007 Edition)のMPU(Micro Processing Unit)の配線を例に挙げると、集積度を向上するために配線幅の目標値が2007年は68nm、2010年は45nm、2013年は32nm、2015年は25nm、2018年は18nmとなっており、高速動作を確保するために抵抗率の目標値は夫々3.43μΩcm、4.08μΩcm、4.83μΩcm、5.58μΩcm、6.70μΩcmとなっている。   Semiconductor integrated circuit devices are being highly integrated at a high speed, in which integration is quadrupled in three years, which is said by Moore's Law. The standard for improving the degree of integration is the International Technology Roadmap for Semiconductor, which is the MPU (Micro Processing Unit) wiring of the 2007 edition (ITRS 2007 Edition). In order to improve the degree of integration, the target value of the wiring width is 68 nm in 2007, 45 nm in 2010, 32 nm in 2013, 25 nm in 2015, and 18 nm in 2018. The target values of the rates are 3.43 μΩcm, 4.08 μΩcm, 4.83 μΩcm, 5.58 μΩcm, and 6.70 μΩcm, respectively.

このように半導体集積回路装置における配線幅の減少に伴いその抵抗が増加し、動作特性特に動作速度が大きく低下する。抵抗増加の原因としては、配線の通電断面積の減少と配線内の結晶粒径の微細化が考えられ、抵抗低減のために結晶粒の粗大化が検討されている。このため、配線内の平均粒径及び粒径分布の評価が重要になり、容易で正確な評価方法が求められている。配線内の粒径分布の評価方法として、集束イオンビーム式断面加工装置により配線層の一部に断面を形成し、これを走査型電子顕微鏡で観察する方法(特許文献1)、半導体チップ上に設けた被測定用配線に電流密度の異なる電流を複数回印加し、電圧モニターにより配線の電圧を測定して抵抗増加量を求め、電流密度及び抵抗増加量に基づいて平均グレインサイズを求める方法(特許文献2)が提案されている。   Thus, as the wiring width in the semiconductor integrated circuit device decreases, the resistance increases, and the operating characteristics, particularly the operating speed, are greatly reduced. The cause of the increase in resistance is considered to be a reduction in the cross-sectional area of the wiring and a refinement of the crystal grain size in the wiring, and the coarsening of the crystal grains is being studied to reduce the resistance. For this reason, it is important to evaluate the average particle size and the particle size distribution in the wiring, and an easy and accurate evaluation method is required. As a method for evaluating the particle size distribution in the wiring, a method of forming a cross section in a part of the wiring layer with a focused ion beam cross section processing apparatus and observing this with a scanning electron microscope (Patent Document 1), on a semiconductor chip A method in which currents having different current densities are applied to a provided wiring to be measured a plurality of times, the voltage of the wiring is measured by a voltage monitor to determine a resistance increase amount, and an average grain size is determined based on the current density and the resistance increase amount ( Patent Document 2) has been proposed.

特開平4−284641号JP-A-4-2844641 特開平9−210939号JP-A-9-210939

特許文献1で提案されている方法では、走査型電子顕微鏡で観察するための試料作製に集束イオンビームを用いた微細配線の切断・研磨など高度な加工技術が必要になること、試料の作製・観察に多くの時間が費やされること、この方法では配線の一部が観察されるのみで配線全体の平均的な評価ができないこと、評価のために製造ラインから取り出す必要があること等の問題がある。   In the method proposed in Patent Document 1, advanced processing techniques such as cutting and polishing of fine wiring using a focused ion beam are necessary for preparing a sample for observation with a scanning electron microscope. Problems such as the fact that a lot of time is spent on observation, the average evaluation of the entire wiring cannot be performed only by observing a part of the wiring, and that it is necessary to take out from the production line for evaluation. is there.

特許文献2で提案されている方法では、予めグレインサイズの異なる配線材について電流密度と抵抗増加量との関係を準備する必要があり、事前準備に多大の時間と手数を要すること、半導体チップ上に形成した被測定用配線と事前に準備した配線材が同一のプロセスで作製されたものでないため、測定精度に問題があること、被測定用配線に異なる電流密度の電流を流すために、製造ラインを一時停止するか、半導体チップを製造ラインから取り出す必要があること等の問題がある。   In the method proposed in Patent Document 2, it is necessary to prepare in advance the relationship between the current density and the resistance increase amount for the wiring materials having different grain sizes, and it takes a lot of time and labor to prepare in advance. Because the wiring for measurement formed in 1 and the wiring material prepared in advance are not manufactured by the same process, there is a problem in measurement accuracy, and in order to flow currents with different current densities through the wiring for measurement There are problems such as the need to temporarily stop the line or take out the semiconductor chip from the production line.

本発明の目的は、従来技術の問題点を解消した金属層の結晶粒径及び粒径分布評価方法並びにそれを用いた半導体集積回路装置の製造方法を提供することにある。
本発明の目的を具体的に言えば、非破壊かつオンラインで金属層の結晶粒径及び粒径分布評価方法並びにそれを用いた半導体集積回路装置の製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は実施例の設明から明らかになろう。
An object of the present invention is to provide a method for evaluating the crystal grain size and grain size distribution of a metal layer, which has solved the problems of the prior art, and a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device using the same.
More specifically, an object of the present invention is to provide a nondestructive and online method for evaluating the crystal grain size and grain size distribution of a metal layer and a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device using the same.
Other objects of the present invention will become apparent from the description of the embodiments.

上記目的を達成する本発明金属層の結晶粒径及び粒径分布評価方法の特徴とするところは、結晶組織を有し特定の面方位においてX線に対して回折ピークを持つ金属層にX線を照射して得られる回折ピークを入手する第1のステップと、回折ピークに基づいて面積平均コラム長及び体積平均コラム長を求める第2のステップと、面積平均コラム長及び体積平均コラム長から結晶粒径の対数正規分布を求める第3のステップとを具備する点にある。X線としては銅の管球を用いた銅Kα線を使用し、試料から得られる回折パターンに含まれる回折ピークKα1、Kα2からKα2を除去すると共に、回折装置に起因するピークの広がりを補正する処理をして評価精度を向上している。本発明は半導体集積回路装置の金属配線として使用されているアルミニウム、銅及びこれらを主成分とする合金が結晶組織を有しX線に対して回折ピークを持つことから、回折ピークを上述の工程で演算することにより、結晶粒径及び粒径分布を計測評価できることに着目してなされたものである。   A feature of the method for evaluating the crystal grain size and grain size distribution of the metal layer of the present invention that achieves the above object is that the metal layer has a crystal structure and has a diffraction peak with respect to X-rays in a specific plane orientation. A first step of obtaining a diffraction peak obtained by irradiating with, a second step of obtaining an area average column length and a volume average column length based on the diffraction peak, and a crystal from the area average column length and the volume average column length And a third step of obtaining a lognormal distribution of particle sizes. As the X-ray, a copper Kα ray using a copper tube is used to remove the diffraction peaks Kα1 and Kα2 included in the diffraction pattern obtained from the sample, and to correct the spread of the peak caused by the diffraction device. Evaluation accuracy is improved by processing. In the present invention, since aluminum, copper, and an alloy containing these as main components used as metal wiring of a semiconductor integrated circuit device have a crystal structure and have a diffraction peak with respect to X-rays, The calculation is performed by paying attention to the fact that the crystal grain size and the grain size distribution can be measured and evaluated.

本発明金属層の結晶粒径及び粒径分布評価方法に適した金属層としては、X線回折の(111)方位及び(200)方位においてピークを持つ銅、アルミニウム及びそれらを主成分とする合金から選ばれた金属であることが望ましい。   As a metal layer suitable for the crystal grain size and grain size distribution evaluation method of the metal layer of the present invention, copper, aluminum having peaks in the (111) orientation and (200) orientation of X-ray diffraction, and alloys containing them as main components It is desirable that the metal be selected from

上記目的を達成する本発明半導体集積回路装置の製造方法の特徴とするところは、多数個の領域に区分され、区分された領域が素子チップ領域及びモニターチップ領域となり、少なくとも素子チップ領域にはpn接合が形成された半導体ウエハを準備する工程、半導体ウエハの素子チップ領域上に絶縁膜と結晶組織を有し特定の面方位においてX線回折ピークを持つ金属からなる配線層を交互に成膜し、モニターチップ領域上に絶縁膜と金属層を必要数成膜する工程、半導体ウエハのモニターチップ領域上に形成された金属層にX線を照射して得られるX線回折ピークから金属層の結晶粒径及び粒径分布を評価する工程を備え、結晶粒径及び粒径分布を評価する工程が、金属層にX線を照射して回折ピークを入手する第1のステップと、回折ピークに基づいて面積平均コラム長及び体積平均コラム長を求める第2のステップと、面積平均コラム長及び体積平均コラム長から結晶粒径の対数正規分布を求める第3のステップから成っている点にある。モニターチップ領域上に形成される絶縁膜と金属層は素子チップ領域上に形成される絶縁膜及び配線層と同じ材料を用いて同じプロセスで同じ寸法に形成されている。これによって、モニターチップ領域上に形成された金属層は配線層と同じ結晶粒径及び粒径分布を有するものとなり、モニターチップ領域上に形成された金属層を用いて配線層の結晶粒径及び粒径分布評価を高精度で実施できる。モニターチップとしては、素子チップ領域の第1層目の配線層を形成した第1のモニターチップ、第2層目の配線層を形成した第2のモニターチップというように、配線層毎にモニターチップを準備することが望ましい。   The manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device of the present invention that achieves the above object is characterized in that it is divided into a large number of regions, and the divided regions become an element chip region and a monitor chip region, and at least the element chip region has a pn A step of preparing a semiconductor wafer having a bond formed thereon, and alternately forming wiring layers made of a metal having an insulating film and a crystal structure and having an X-ray diffraction peak in a specific plane orientation on an element chip region of the semiconductor wafer , A step of forming a necessary number of insulating films and metal layers on the monitor chip region, a crystal of the metal layer from an X-ray diffraction peak obtained by irradiating the metal layer formed on the monitor chip region of the semiconductor wafer with X-rays A step of evaluating a particle size and a particle size distribution, wherein the step of evaluating the crystal particle size and the particle size distribution includes a first step of obtaining a diffraction peak by irradiating the metal layer with X-rays; The second step is to obtain the area average column length and the volume average column length based on the peak, and the third step is to obtain the logarithmic normal distribution of the crystal grain size from the area average column length and the volume average column length. It is in. The insulating film and the metal layer formed on the monitor chip region are formed in the same dimensions by the same process using the same material as the insulating film and the wiring layer formed on the element chip region. Thus, the metal layer formed on the monitor chip region has the same crystal grain size and grain size distribution as the wiring layer, and the crystal grain size and the wiring layer are formed using the metal layer formed on the monitor chip region. The particle size distribution can be evaluated with high accuracy. As the monitor chip, the first monitor chip in which the first wiring layer in the element chip area is formed, and the second monitor chip in which the second wiring layer is formed, such as a monitor chip for each wiring layer. It is desirable to prepare.

上記目的を達成する本発明半導体集積回路装置の製造方法の他の特徴とするところは、モニターチップ領域上に形成される金属層は素子チップ領域上に形成される金属層と同じ工程で形成され、モニターチップ領域の単位面積当たりの金属層の総質量が銅配線の場合は9×10−6g/cm以上、アルミニウム配線の場合は3.6×10−5g/cm以上にした点にある。回折ピークの解析をするためには所定のピーク強度が必要であり、そのためにはX線強度を大きくする必要があるが、本発明では試料としての配線金属の総質量を一定値以上にすることにより、所定の解析ピークを得ることを見出した。それが、銅配線の場合は9×10−6g/cm以上であり、アルミニウム配線の場合は3.6×10−5g/cm以上である。配線の総質量を一定値以上にする手段は、同一絶縁層に形成する配線層の間隔を素子チップ領域とモニターチップ領域とで異ならせる、即ちモニターチップ領域の配線間隔を素子チップ領域のそれより狭くすることである。換言すれば、モニターチップ領域の配線数を素子チップ領域のそれより多くすることである。これによって、素子チップ領域とモニターチップ領域の配線幅及び配線厚を同じに形成しても、モニターチップ領域の配線を構成する金属層の総質量を一定値以上にできるのである。 Another feature of the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention that achieves the above object is that the metal layer formed on the monitor chip region is formed in the same process as the metal layer formed on the element chip region. The total mass of the metal layer per unit area of the monitor chip region is 9 × 10 −6 g / cm 2 or more in the case of copper wiring, and 3.6 × 10 −5 g / cm 2 or more in the case of aluminum wiring. In the point. In order to analyze the diffraction peak, a predetermined peak intensity is required. For this purpose, the X-ray intensity needs to be increased. In the present invention, the total mass of the wiring metal as a sample is set to a certain value or more. Thus, it was found that a predetermined analysis peak was obtained. That is 9 × 10 −6 g / cm 2 or more in the case of copper wiring, and 3.6 × 10 −5 g / cm 2 or more in the case of aluminum wiring. The means for setting the total mass of the wiring to a certain value or more is that the interval between the wiring layers formed in the same insulating layer is different between the element chip region and the monitor chip region, that is, the wiring interval of the monitor chip region is different from that of the element chip region. It is narrowing. In other words, the number of wires in the monitor chip area is made larger than that in the element chip area. As a result, even if the wiring width and wiring thickness of the element chip region and the monitor chip region are formed to be the same, the total mass of the metal layers constituting the wiring of the monitor chip region can be made a certain value or more.

上記目的を達成する本発明半導体集積回路装置の製造方法の更に他の特徴とするところは、金属層が前記絶縁膜に形成された幅100nm以下のトレンチに形成された配線層である点にある。配線の深さ方向における粒径を評価する場合、配線幅が狭くなるほどTEM用試料として幅方向の研磨が難しくなることから、X線回折ピークを使用する非破壊で結晶粒径及び粒径分布を評価する本発明方法が優れている。また、線幅100nm以下の銅配線においては、抵抗増大の支配的な因子として結晶粒の大きさが考えられている。更に、結晶粒径の平均値よりも、銅における平均自由行程に近い40nm以下の大きさの結晶粒が存在する割合が抵抗増大に大きく影響することが報告されている。従って、銅配線の抵抗評価においては、線幅100nm以下では平均粒径だけではなく粒径分布を評価することが重要となる。これはアルミニウム配線についても言える。よって、本発明は線幅100nm以下の銅配線及びアルミニウム配線の結晶粒径及び粒径分布評価において効果を発揮するものである。   Still another feature of the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention that achieves the above object is that the metal layer is a wiring layer formed in a trench having a width of 100 nm or less formed in the insulating film. . When evaluating the grain size in the depth direction of wiring, the narrower the wiring width, the more difficult it is to polish in the width direction as a TEM sample. Therefore, the crystal grain size and grain size distribution can be determined non-destructively using X-ray diffraction peaks. The inventive method to be evaluated is excellent. Further, in a copper wiring having a line width of 100 nm or less, the size of crystal grains is considered as a dominant factor in increasing resistance. Furthermore, it has been reported that the proportion of crystal grains having a size of 40 nm or less, which is close to the mean free path in copper, has a greater influence on the resistance increase than the average value of the crystal grain size. Therefore, in the resistance evaluation of copper wiring, it is important to evaluate not only the average particle size but also the particle size distribution when the line width is 100 nm or less. This is also true for aluminum wiring. Therefore, the present invention is effective in evaluating the crystal grain size and grain size distribution of copper wiring and aluminum wiring with a line width of 100 nm or less.

本発明によれば、X線に対して回折ピークを持つ金属層にX線を照射して金属層からの回折ピークを入手し、回折ピークに基づいて結晶粒径の対数正規分布を演算することにより結晶粒径及び粒径分布を非破壊かつ短時間で正確に測定評価することができる。また、本発明は金属層の結晶粒径及び粒径分布を非破壊かつオンラインで短時間に評価できるので、半導体集積回路装置の製造ラインに適用することにより、所望の結晶粒径及び粒径分布を有する金属層を配線として備える半導体集積回路装置を実現できる。   According to the present invention, a metal layer having a diffraction peak with respect to X-rays is irradiated with X-rays to obtain a diffraction peak from the metal layer, and a lognormal distribution of crystal grain sizes is calculated based on the diffraction peak. Thus, the crystal grain size and grain size distribution can be measured and evaluated accurately in a non-destructive manner in a short time. In addition, since the present invention can evaluate the crystal grain size and grain size distribution of the metal layer in a short time non-destructively and online, it can be applied to a semiconductor integrated circuit device production line to obtain a desired crystal grain size and grain size distribution. A semiconductor integrated circuit device including a metal layer having a wiring as a wiring can be realized.

本発明金属層の結晶粒径及び粒径分布評価方法を説明する概略工程図である。It is a schematic process drawing explaining the crystal grain size and grain size distribution evaluation method of the metal layer of the present invention. 銅配線層のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of a copper wiring layer. A(L)とSbの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between A (L) and Sb. フーリエ係数の結晶子サイズの項As(L)とコラム長さLの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between column term L and term As (L) of the crystallite size of a Fourier coefficient. 銅配線層の回折ピークから演算により得られた粒径分布図である。It is a particle size distribution map obtained by calculation from the diffraction peak of a copper wiring layer. 本発明半導体集積回路装置の製造方法で使用する半導体ウエハの一実施例を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows one Example of the semiconductor wafer used with the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device of this invention. 図6の半導体ウエハの素子チップ領域上に形成された配線の状況を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the condition of the wiring formed on the element chip area | region of the semiconductor wafer of FIG. 図6のモニターチップ領域上に形成された金属層の状況を示す概略断面図及び概略平面図である。It is the schematic sectional drawing and schematic plan view which show the condition of the metal layer formed on the monitor chip area | region of FIG. はモニターチップ領域の変形例を示す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic sectional view showing a modification of the monitor chip region. モニターチップ領域の異なる変形例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the modified example from which a monitor chip area | region differs. モニターチップ領域の単位面積当たりの銅の質量と回折ピーク強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the mass of copper per unit area of a monitor chip area | region, and diffraction peak intensity.

半導体集積回路装置を製造する際に多数の素子チップ領域を形成する半導体ウエハに素子チップ領域と同じ寸法、材質、プロセスで製造した配線層を有するモニターチップ領域を少なくとも1個形成し、配線層の形成後にモニターチップ領域の配線層の結晶粒径及び粒径分布を評価する。配線層の結晶粒径及び粒径分布を評価する方法は、結晶組織を有し特定の面方位においてX線に対して回折ピークを持つ試料にX線を照射して得られる回折ピークを入手するステップ、回折ピークに基づいて面積平均コラム長及び体積平均コラム長を求めるステップ、面積平均コラム長及び体積平均コラム長から結晶粒径の対数正規分布を求めるステップからなっている。これによって、半導体集積回路装置を製造ライン上において、非破壊で配線層の結晶粒径及び粒径分布を評価でき、所望の結晶粒径及び粒径分布を有する配線層を備える半導体集積回路装置を製造することが出来る。   When manufacturing a semiconductor integrated circuit device, at least one monitor chip region having a wiring layer manufactured by the same size, material, and process as the element chip region is formed on a semiconductor wafer on which a large number of element chip regions are formed. After the formation, the crystal grain size and grain size distribution of the wiring layer in the monitor chip region are evaluated. The method for evaluating the crystal grain size and grain size distribution of a wiring layer is to obtain a diffraction peak obtained by irradiating a sample having a crystal structure and having a diffraction peak with respect to X-rays in a specific plane orientation. A step, obtaining an area average column length and a volume average column length based on the diffraction peak, and obtaining a logarithmic normal distribution of crystal grain sizes from the area average column length and the volume average column length. Thus, a semiconductor integrated circuit device including a wiring layer having a desired crystal grain size and grain size distribution can be evaluated on the production line without breaking the crystal grain size and grain size distribution of the wiring layer. Can be manufactured.

図1は本発明金属層の結晶粒径及び粒径分布評価方法を説明する概略工程図で、本発明の評価方法は、結晶組織を有し特定の面方位においてX線に対して回折ピークを持つ金属層にX線を照射して得られる回折ピークを入手するステップA、回折ピークに基づいて面積平均コラム長及び体積平均コラム長を求めるステップB、及び面積平均コラム長及び体積平均コラム長から結晶粒径の対数正規分布を求めるステップCから成っている。結晶粒は原子の結び付きで構成されたコラムの集合体で形成され、各コラムは様々の大きさを有している。各コラム領域の長さをその領域の面積を考慮して平均した値が面積平均コラム長、各コラム領域の長さをその領域の体積を考慮して平均した値が体積平均コラム長と称す。   FIG. 1 is a schematic process diagram for explaining a method for evaluating crystal grain size and grain size distribution of a metal layer of the present invention. The evaluation method of the present invention has a crystal structure and a diffraction peak with respect to X-rays in a specific plane orientation. Step A for obtaining a diffraction peak obtained by irradiating a metal layer with X-rays, Step B for obtaining an area average column length and a volume average column length based on the diffraction peak, and an area average column length and a volume average column length It consists of step C which calculates | requires the logarithmic normal distribution of a crystal grain diameter. A crystal grain is formed by an aggregate of columns composed of atomic bonds, and each column has various sizes. A value obtained by averaging the length of each column region in consideration of the area of the region is referred to as an area average column length, and a value obtained by averaging the length of each column region in consideration of the volume of the region is referred to as a volume average column length.

ステップAを詳述するに、このステップAはX線ディフラクトメータにより銅Kα線(管電圧40kV、管電流40mA)を用いて例えば線幅100nmの銅配線膜の回折パターンを測定するステップである。銅配線層の回折パターンは図2に示すように、(111)配向が強いため(111)回折ピークと(222)回折ピークのみが観察される。(222)回折ピークについては回折強度が弱いため、計数時間を長くして測定する。銅Kα線はX線の生成メカニズムに基づき僅かにエネルギーの異なるKα1、Kα2と呼称される2種類のX線を持ち、回折ピークにもこれに対応する2種類のピークが含まれている。この回折ピークを使用するとプロファイルが左右対称にならず、装置によるピークの広がりを補正するStokes法における処理が複雑になる。これを避けるために、Rachingen法を用いて銅配線層の回折パターンからKα2線に起因するプロファイルを除き、Kα1線に起因するプロファイル(以下Kα1プロファイルと称す)のみを求める。図2はKα1プロファイルを示している。このステップAと同様の方法により、結晶粒が十分大きく歪の影響がない標準試料として、十分に焼鈍した高純度銅メッシュのKα1プロファイルを準備する。これは回折装置に依存するピークの広がりを除くために次ステップBにおいて使用される。   Step A will be described in detail. This step A is a step of measuring a diffraction pattern of a copper wiring film having a line width of 100 nm, for example, using a copper Kα line (tube voltage 40 kV, tube current 40 mA) with an X-ray diffractometer. . As shown in FIG. 2, since the diffraction pattern of the copper wiring layer has a strong (111) orientation, only the (111) diffraction peak and the (222) diffraction peak are observed. (222) Since the diffraction intensity of the diffraction peak is weak, measurement is performed with a long counting time. Copper Kα rays have two types of X-rays called Kα1 and Kα2 having slightly different energies based on the X-ray generation mechanism, and the diffraction peaks include two types of peaks corresponding thereto. When this diffraction peak is used, the profile is not symmetric, and the processing in the Stokes method for correcting the spread of the peak by the apparatus becomes complicated. In order to avoid this, the profile resulting from the Kα2 line is removed from the diffraction pattern of the copper wiring layer using the Rachingen method, and only the profile resulting from the Kα1 line (hereinafter referred to as the Kα1 profile) is obtained. FIG. 2 shows the Kα1 profile. By a method similar to Step A, a Kα1 profile of a sufficiently annealed high-purity copper mesh is prepared as a standard sample with sufficiently large crystal grains and no influence of strain. This is used in the next step B to eliminate peak broadening depending on the diffractometer.

ステップBを詳述するに、先ず銅配線層及び標準試料の(111)及び(222)回折ピークのKα1プロファイルをフーリエ解析し、それぞれのピークについてコラム長さLに対するフーリエ係数A(L)を求める。Stokes法により回折装置によるピークの広がりを補正したA(L)は、補正した後、Warren−Averbach法により面積平均コラム長L(area)及び体積平均コラム長L(Vol)を算出する。フーリエ係数A(L)はの結晶子サイズの項As(L)と歪の項AD(L)の積として表される。

Figure 0005747406
ここで、両辺の対数をとると、歪の項の対数はlnAD(L)=−2πL2<ε L 2 >Sb2として表され、数式(2)に整理される。
Figure 0005747406
ここで、ε L はコラム長さ方向の歪(=ΔL/L)、Sb2=(h2+k2+l2)/a2、hklは面指数、aは格子定数である。
(111)及び(222)回折ピークについては、L=2.2〜77.0Åにおける数式(2)の関係を図3に示す。それぞれのLにおける直線の切片からAs(L)が求められ、傾きからは<ε L 2 >が求められる。得られたAs(L)とLの関係が図4になる。
図4において、As(L)−Lの関係でL=0の近傍における接線と横軸の切片よりL(area)が実線で示したAs(L)−Lの近似曲線と縦横軸間の面積の2倍としてL(Vol)がそれぞれ求められる。 Step B will be described in detail. First, the Kα1 profiles of the (111) and (222) diffraction peaks of the copper wiring layer and the standard sample are Fourier-analyzed, and the Fourier coefficient A (L) with respect to the column length L is obtained for each peak. . After correcting the peak spread by the diffractometer by the Stokes method, A (L) is corrected, and then the area average column length L ( area ) and the volume average column length L ( Vol ) are calculated by the Warren-Aberbach method. The Fourier coefficient A (L) is expressed as the product of the crystallite size term As (L) and the strain term AD (L).
Figure 0005747406
Here, taking the logarithm of both sides, the logarithmic distortion terms lnA D (L) = - expressed as 2πL 2 <ε L 2> Sb 2, are organized in equation (2).
Figure 0005747406
Here, ε L is a strain in the column length direction (= ΔL / L), Sb 2 = (h 2 + k 2 + l 2 ) / a 2 , hkl is a plane index, and a is a lattice constant.
For the (111) and (222) diffraction peaks, the relationship of Equation (2) at L = 2.2 to 77.0 Å is shown in FIG. As (L) is obtained from the straight line intercept at each L, and <ε L 2 > is obtained from the slope. The relationship between As (L) and L obtained is shown in FIG.
In FIG. 4, the area between the approximate curve of As (L) -L and the vertical and horizontal axes where L (area) is indicated by a solid line from the intercept of the tangent line and the horizontal axis in the vicinity of L = 0 in the relationship As (L) -L. Respectively, L (Vol) is obtained as 2 times.

ステップCを詳述する。結晶粒の大きさが対数正規分布をとると仮定すると、大きさDの結晶粒の対数正規分布gLN(D)は数式(3)で表される。

Figure 0005747406

ここで、D及びσはそれぞれ平均粒径及び標準偏差を表す。結晶粒を球と仮定すると、D及びσとL(area)及びL(Vol)の関係が数式(4)及び数式(5)で与えられる。
Figure 0005747406

Figure 0005747406

ステップBで求めたL(area)及びL(V0l)から数式(4)及び数式(5)を用いてD及びσを決定し、結晶粒径の対数正規分布を求める。このようにして決定した線幅100nmの銅配線層の粒径分布を透過型電子顕微鏡による観察から求めた結果と比較して図5に示す。 Step C will be described in detail. Assuming that the size of the crystal grains has a log normal distribution, the log normal distribution g LN ( D) of the crystal grains having the size D is expressed by Expression (3).
Figure 0005747406

Here, D 0 and σ represent an average particle diameter and a standard deviation, respectively. Assuming that the crystal grains are spheres, the relationship between D 0 and σ and L (area) and L (Vol) is given by equations (4) and (5).
Figure 0005747406

Figure 0005747406

D 0 and σ are determined from L (area) and L (V0l) obtained in step B using equations (4) and (5) to obtain a lognormal distribution of crystal grain sizes. The particle size distribution of the copper wiring layer having a line width of 100 nm thus determined is shown in FIG. 5 in comparison with the results obtained from observation with a transmission electron microscope.

本発明結晶粒径及び粒径分布評価方法は、上述したように結晶組織を有し特定の面方位においてX線に対して回折ピークを持つ金属層に適用できる。本発明において重要なことは、例えば金属層を形成する場合その下地となるシード層が結晶組織を有することで、かつ特定の面方位を有することである。   The crystal grain size and grain size distribution evaluation method of the present invention can be applied to a metal layer having a crystal structure as described above and having a diffraction peak with respect to X-rays in a specific plane orientation. What is important in the present invention is that, for example, when a metal layer is formed, the seed layer serving as a base thereof has a crystal structure and has a specific plane orientation.

図5は本発明結晶粒径及び粒径分布評価方法で得た粒径分布図とTEMで得た粒径分布図で、本発明で評価した平均粒径Dは63nm、粒径分布σは1.51であるに対し、TEMで評価した平均粒径Dは76nm、粒径分布σは1.57であり、両者は良く一致していることが解る。このことは、本発明結晶粒径及び粒径分布評価方法は、評価精度はFIBとTEMを組み合わせた評価方法と同程度の高精度を有し、評価対象の試料を加工することなく非破壊で試料全体に亘って評価できる点でFIBとTEMを組み合わせた評価方法より優れていることを意味している。 FIG. 5 is a particle size distribution diagram obtained by the crystal grain size and particle size distribution evaluation method of the present invention and a particle size distribution diagram obtained by TEM. The average particle size D 0 evaluated by the present invention is 63 nm, and the particle size distribution σ is In contrast to 1.51, the average particle diameter D 0 evaluated by TEM is 76 nm, and the particle diameter distribution σ is 1.57. This is because the crystal grain size and grain size distribution evaluation method of the present invention has the same high accuracy as the evaluation method combining FIB and TEM, and is nondestructive without processing the sample to be evaluated. This means that it is superior to the evaluation method combining FIB and TEM in that it can be evaluated over the entire sample.

本発明金属層の結晶粒径及び粒径分布評価方法を適用した半導体集積回路装置の製造方法の一実施例を説明する。半導体集積回路装置は、大面積の半導体ウエハに所望の回路素子を有する多数の区分を形成する工程、半導体ウエハ上に多層配線層を形成する工程、半導体ウエハを区分とその上に形成された配線層と共に多数のチップに分割する工程、チップ毎にパッケージ内に封止する工程を経て製造されるが、この実施例では配線層の結晶粒径及び粒径分布評価方法を適用する工程に限定して説明する。   An embodiment of a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device to which the metal grain crystal grain size and grain size distribution evaluation method of the present invention is applied will be described. A semiconductor integrated circuit device includes a step of forming a large number of sections having desired circuit elements on a large-area semiconductor wafer, a step of forming a multilayer wiring layer on the semiconductor wafer, a section of the semiconductor wafer, and wiring formed thereon It is manufactured through a process of dividing into a large number of chips together with a layer and a process of sealing each package in a package, but in this embodiment, it is limited to the process of applying the method for evaluating the crystal grain size and grain size distribution of the wiring layer. I will explain.

図6は半導体ウエハの概略平面図で、例えば直径12インチの円板形状を有する半導体ウエハWに、多数個の方形状領域に区分され、多数個の方形状領域のうち白表示の領域W11が半導体集積回路装置となる素子チップ領域、黒で塗り潰した領域W12がモニターチップ領域となっている。モニターチップ領域W12はこの図では半導体ウエハWの中心部にW12a、周縁部にW12bを1個づつ配置形成してあるが、この位置についてはこの実施例では特別な意味はない。しかしながら、半導体集積回路装置製造者の意思で半導体ウエハの中心部と周辺部で配線層の形成条件が多少相違し、それに伴って粒径に相違が生じるか否かを把握するという目的を持って形成する位置を選定する場合がある。本発明ではモニターチップ領域の数及び設ける位置を特定するものでなく、必要に応じて任意の数を任意の位置に設けることが出来る。例えば、モニターチップ領域W12を中央部と周辺部にそれぞれ複数個づつ設けても、周辺部に一定間隔で複数個設けても良い。   FIG. 6 is a schematic plan view of a semiconductor wafer. For example, a semiconductor wafer W having a disk shape with a diameter of 12 inches is divided into a large number of rectangular regions, and a white display region W11 is included in the large number of rectangular regions. An element chip region serving as a semiconductor integrated circuit device, a region W12 filled with black is a monitor chip region. In this figure, the monitor chip region W12 is formed with W12a at the center of the semiconductor wafer W and W12b at the periphery, but this position has no special meaning in this embodiment. However, the purpose of the semiconductor integrated circuit device manufacturer is to grasp whether the formation conditions of the wiring layer are slightly different between the central portion and the peripheral portion of the semiconductor wafer, and the difference in the grain size is caused accordingly. The position to be formed may be selected. In the present invention, the number of monitor chip regions and the positions to be provided are not specified, and any number can be provided at any position as necessary. For example, a plurality of monitor chip regions W12 may be provided in the central portion and the peripheral portion, or a plurality of monitor chip regions W12 may be provided in the peripheral portion at regular intervals.

図7は素子チップ領域W11の一部の概略断面図で、説明の都合上配線層を2層構成にした例を示している。図において、1は一方の主表面1aに隣接してpn接合によって多数個の回路素子(図示せず)が形成された半導体基体、2は半導体基体1の一方の主表面1a上に形成された例えばシリコン酸化物層からなる第1絶縁層、2aは第1絶縁層2に形成されたスルーホール、3はスルーホール2a内に形成された例えばタングステンからなるプラグ、3aはスルーホール2aとプラグ3との間に形成された例えばTiN(窒化チタン)からなるバリア層、4は第1絶縁層2及びプラグ3上に例えば窒化シリコン層41を介して形成された例えばシリコン酸化物層42からなる第2絶縁層、4aは第2絶縁層4に形成された第1トレンチ、5は第1トレンチ4a内に形成された第1銅配線層、5aは第1トレンチ4aと第1銅配線層5との間に形成された例えばTaN(窒化タンタル)/Ta(タンタル)からなるバリア層、6は第2絶縁層4及び第1銅配線層5上に例えば窒化シリコン層61を介して例えばシリコン酸化物層62からなる第3絶縁層、6aは第3絶縁層6形成されたコンタクトホール、7は第3絶縁層6上に例えば窒化シリコン層71を介して例えばシリコン酸化物層72からなる第4絶縁層、7aはコンタクトホール6a上の第4絶縁層7に形成された第2トレンチ、8はコンタクトホール6a及び第2トレンチ7a内にバリア層8aを介して形成された第2銅配線層である。   FIG. 7 is a schematic sectional view of a part of the element chip region W11, and shows an example in which the wiring layer has a two-layer structure for convenience of explanation. In the figure, 1 is a semiconductor substrate on which a large number of circuit elements (not shown) are formed by pn junction adjacent to one main surface 1a, and 2 is formed on one main surface 1a of the semiconductor substrate 1. For example, a first insulating layer made of a silicon oxide layer, 2a is a through hole formed in the first insulating layer 2, 3 is a plug made of, for example, tungsten formed in the through hole 2a, 3a is a through hole 2a and a plug 3 A barrier layer 4 made of, for example, TiN (titanium nitride) is formed between the first insulating layer 2 and the plug 3, for example, a silicon oxide layer 42 made of, for example, a silicon nitride layer 41. 2 insulating layers, 4a is a first trench formed in the second insulating layer 4, 5 is a first copper wiring layer formed in the first trench 4a, 5a is the first trench 4a and the first copper wiring layer 5, Shape between The barrier layer made of, for example, TaN (tantalum nitride) / Ta (tantalum), 6 is made of, for example, a silicon oxide layer 62 via the silicon nitride layer 61 on the second insulating layer 4 and the first copper wiring layer 5, for example. A third insulating layer, 6a is a contact hole formed in the third insulating layer 6, 7 is a fourth insulating layer made of, for example, a silicon oxide layer 72 via a silicon nitride layer 71 on the third insulating layer 6, and 7a is The second trench 8 formed in the fourth insulating layer 7 on the contact hole 6a is a second copper wiring layer formed in the contact hole 6a and the second trench 7a via the barrier layer 8a.

図7に示す素子チップ領域W11の配線層は、概略次のようなデュアルダマシンプロセスを用いて製造される。まず、一方の主表面1aに隣接してpn接合によって多数の回路素子(図示せず)が形成された半導体基体1を準備し、半導体基体1の一方の主表面1a上に第1絶縁層2をCVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積し、配線層を形成する予定の領域となる第1絶縁層2の一部をエッチングしてスルーホール2aを形成し、このスルーホール2a内にバリア層3aを介してプラグ3を形成する。次に、第1絶縁層2、バリア層3a及びプラグ3の露出面上に第2絶縁層4をCVD法により堆積し、配線層を形成する予定の領域となる第2絶縁層4をエッチングすることにより第1トレンチ4aを形成する。この第1トレンチ4aは幅が100nm以下、深さは50〜300nmの範囲から通電容量によって選択された値を有している。第2絶縁層4上の窒化シリコン層41はシリコン酸化物層42をエッチングするときのストッパーとして利用される。第1トレンチ4a内にバリア層5aを介して第1銅配線層5を形成する。バリア層5aはスパッタ法又はCVD法によって形成し、第1銅配線層5はバリア層5a上に形成した図示しない極く薄い銅シード層上に硫酸銅めっき浴、アノードに銅電極を用いて電解めっき法により形成する。次いで、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により第1トレンチ4a部分においてはその深さを超える部分の銅層、並びに第2絶縁層4及びバリア層5aを除去して第1トレンチ4a内にのみ第1銅配線層5となる銅層及びバリア層5aを残す。次に、第2絶縁層4及び第1銅配線層5上に第3絶縁層6及び第4絶縁層7を順次CVD法により堆積し、第1銅配線層5上方の第4絶縁層7をエッチングして第2トレンチ7aを形成し、更に第3絶縁層6をエッチングにより除去してコンタクトホール6aを形成する。次いで、第2トレンチ7a内及びコンタクトホ−ル6aの表面に例えばTa/TaN/Ta積層体からなるバリア層8aをスパッタ法またはCVD法により数nmから10nm程度の厚さ堆積し、バリア層8a上に薄い銅シード層(図示せず)を図7と同じをスパッタ法により形成し、第1銅配線層5と同様の方法により第2トレンチ7a及びコンタクトホール6a内に深さを超える厚さの銅層を形成する。しかる後、CMPにより第2トレンチ7a部分においてはその深さを超える部分の銅層、並びに第4絶縁層7上の銅層及びバリア層7aを除去して、第2トレンチ7a内にのみ第2銅配線層8となる銅層及びバリア層7aを残し、2層構造の銅配線が完成する。この実施例では2層構造の銅配線の製造方法を説明したが、3層以上の配線構造にする場合には、第2銅配線層を形成した工程を繰り返すことで実現できる。   The wiring layer in the element chip region W11 shown in FIG. 7 is manufactured using a dual damascene process as follows. First, a semiconductor substrate 1 having a large number of circuit elements (not shown) formed by pn junctions adjacent to one main surface 1a is prepared, and the first insulating layer 2 is formed on one main surface 1a of the semiconductor substrate 1. Is deposited by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and a part of the first insulating layer 2 to be a region where a wiring layer is to be formed is etched to form a through hole 2a, and the barrier layer 3a is formed in the through hole 2a. The plug 3 is formed via Next, a second insulating layer 4 is deposited on the exposed surfaces of the first insulating layer 2, the barrier layer 3a, and the plug 3 by a CVD method, and the second insulating layer 4 that is a region where a wiring layer is to be formed is etched. Thus, the first trench 4a is formed. The first trench 4a has a value selected by a current carrying capacity from a range of a width of 100 nm or less and a depth of 50 to 300 nm. The silicon nitride layer 41 on the second insulating layer 4 is used as a stopper when the silicon oxide layer 42 is etched. A first copper wiring layer 5 is formed in the first trench 4a via a barrier layer 5a. The barrier layer 5a is formed by sputtering or CVD, and the first copper wiring layer 5 is electrolyzed using a copper sulfate plating bath on a very thin copper seed layer (not shown) formed on the barrier layer 5a and a copper electrode on the anode. It is formed by a plating method. Next, the copper layer exceeding the depth of the first trench 4a, and the second insulating layer 4 and the barrier layer 5a are removed by CMP (Chemical Mechanical Polishing) to remove the first copper only in the first trench 4a. The copper layer and the barrier layer 5a to be the wiring layer 5 are left. Next, the third insulating layer 6 and the fourth insulating layer 7 are sequentially deposited on the second insulating layer 4 and the first copper wiring layer 5 by the CVD method, and the fourth insulating layer 7 above the first copper wiring layer 5 is deposited. Etching forms a second trench 7a, and the third insulating layer 6 is removed by etching to form a contact hole 6a. Next, a barrier layer 8a made of, for example, a Ta / TaN / Ta stacked body is deposited in the second trench 7a and on the surface of the contact hole 6a by sputtering or CVD to a thickness of about several to 10 nm. A thin copper seed layer (not shown) is formed on the second trench 7a and the contact hole 6a by the same method as that of the first copper wiring layer 5, and a thickness exceeding the depth is formed on the thin copper seed layer (not shown). The copper layer is formed. Thereafter, the portion of the second trench 7a that exceeds the depth of the second trench 7a, and the copper layer and the barrier layer 7a on the fourth insulating layer 7 are removed by CMP, so that the second trench 7a is only in the second trench 7a. A copper layer having a two-layer structure is completed, leaving the copper layer and the barrier layer 7a to be the copper wiring layer 8. In this embodiment, the method for manufacturing a copper wiring having a two-layer structure has been described. However, when the wiring structure has three or more layers, it can be realized by repeating the process of forming the second copper wiring layer.

図8はモニターチップ領域W12を説明する概略平面図及び概略断面図である。(a)は図7のモニターチップ領域W12aに、(b)は図7のモニターチップ領域W12bにそれぞれ対応している。図において、1、2、4、6及び7は図7と同じ半導体基体、第1絶縁層、第2絶縁層、第3絶縁層及び第4絶縁層、91は第2絶縁層2に形成された第1トレンチ4a内にバリア層91aを介して形成された第1モニター用銅配線層、101は第4絶縁層4に形成された第2トレンチ7a内にバリア層101aを介して形成された第2モニター用銅配線層で、これらは素子チップ領域W11と同時に同じ寸法、材料、プロセスで形成されている。従って、第1モニター用銅配線層91及び第2モニター用銅配線層101は素子チップ領域W11の第1銅配線層5及び第2銅配線層8と線幅、線厚及び結晶状態が同一になっている。当然のことながら、バリア層91a及び101aは図6のバリア層5a、8aと同時に形成され、その上に図示しない銅シード層が形成されている。
図から理解されるように、モニターチップ領域W12aには第1モニター用銅配線層91が、モニターチップ領域W12bには第2モニター用銅配線層101が形成され、換言すればモニターチップ領域W12aは素子チップ領域W11の第1銅配線層5の結晶粒径及び粒径分布評価に、モニターチップ領域W12bは素子チップ領域W11の第2銅配線層8の結晶粒径及び粒径分布評価にそれぞれ使用される。
FIG. 8 is a schematic plan view and a schematic sectional view for explaining the monitor chip region W12. (A) corresponds to the monitor chip region W12a of FIG. 7, and (b) corresponds to the monitor chip region W12b of FIG. In the figure, 1, 2, 4, 6 and 7 are the same semiconductor substrate as in FIG. 7, the first insulating layer, the second insulating layer, the third insulating layer and the fourth insulating layer, and 91 is formed in the second insulating layer 2. The first monitoring copper wiring layer 101 formed in the first trench 4a through the barrier layer 91a is formed in the second trench 7a formed in the fourth insulating layer 4 through the barrier layer 101a. In the second monitor copper wiring layer, these are formed simultaneously with the element chip region W11 by the same size, material and process. Therefore, the first monitor copper wiring layer 91 and the second monitor copper wiring layer 101 have the same line width, line thickness, and crystal state as the first copper wiring layer 5 and the second copper wiring layer 8 in the element chip region W11. It has become. As a matter of course, the barrier layers 91a and 101a are formed simultaneously with the barrier layers 5a and 8a of FIG. 6, and a copper seed layer (not shown) is formed thereon.
As can be seen from the figure, a first monitor copper wiring layer 91 is formed in the monitor chip region W12a, and a second monitor copper wiring layer 101 is formed in the monitor chip region W12b. In other words, the monitor chip region W12a has The crystal chip size and grain size distribution evaluation of the first copper wiring layer 5 in the element chip area W11, and the monitor chip area W12b are used for crystal grain size and grain size distribution evaluation of the second copper wiring layer 8 in the element chip area W11, respectively. Is done.

半導体集積回路装置の製造において、図8に示すモニターチップ領域W12aを図7に示す半導体ウエハWに作り込むことにより、第1銅配線層5が完成した時点において第1モニター用銅配線層91のX線回折ピークを入手して上述した金属層の結晶粒径及び粒径分布評価方法を用いて、非破壊で第1モニター用銅配線層91の結晶粒径及び粒径分布を評価し、第1銅配線層5が所望の結晶粒径及び粒径分布を有しているか否かを判定する。所望の結晶粒径及び粒径分布を有している場合には次の製造工程に移行し、所望の結晶粒径及び粒径分布を有していない場合には結晶粒径及び粒径分布を修正するプロセスを実施するか、修正が困難な場合には廃棄処分する。第2銅配線層8が完成した時点において第2モニター用銅配線層101のX線回折ピークを入手して上述した金属層の結晶粒径及び粒径分布評価方法を用いて、非破壊で第2モニター用銅配線層101の結晶粒径及び粒径分布を評価し、第2銅配線層8が所望の結晶粒径及び粒径分布を有しているか否かを判定する。判定結果に基づいて行う対応は第1銅配線層5の場合と同様である。このように配線層数に対応したモニターチップ領域を準備することにより、配線数に応じて結晶粒径及び粒径分布評価を繰り返すことにより、所望の結晶粒径及び粒径分布を有する銅配線層を備える半導体集積回路装置を実現できる。   In the manufacture of the semiconductor integrated circuit device, the monitor chip region W12a shown in FIG. 8 is formed in the semiconductor wafer W shown in FIG. 7, so that the first copper wiring layer 91 is completed when the first copper wiring layer 5 is completed. The X-ray diffraction peak is obtained, and the crystal grain size and grain size distribution evaluation method for the metal layer described above is used to evaluate the crystal grain size and grain size distribution of the first monitor copper wiring layer 91 in a nondestructive manner. It is determined whether or not one copper wiring layer 5 has a desired crystal grain size and grain size distribution. If it has the desired crystal grain size and particle size distribution, the process proceeds to the next manufacturing process, and if it does not have the desired crystal grain size and grain size distribution, the crystal grain size and grain size distribution are changed. Implement the process to correct, or dispose of if correction is difficult. When the second copper wiring layer 8 is completed, the X-ray diffraction peak of the second monitoring copper wiring layer 101 is obtained, and the non-destructive first method is used to evaluate the crystal grain size and grain size distribution of the metal layer described above. (2) The crystal grain size and grain size distribution of the monitoring copper wiring layer 101 are evaluated to determine whether or not the second copper wiring layer 8 has the desired crystal grain size and grain size distribution. The correspondence performed based on the determination result is the same as in the case of the first copper wiring layer 5. By preparing the monitor chip region corresponding to the number of wiring layers in this way, by repeating the crystal grain size and grain size distribution evaluation according to the number of wirings, a copper wiring layer having a desired crystal grain size and grain size distribution Can be realized.

図9は図8に示すモニターチップ領域W12の変形例を示す概略断面図である。(a)は図7のモニターチップ領域W12aに、(b)は図7のモニターチップ領域W12bにそれぞれ対応している。図8のモニターチップ領域と相違する点は、第1モニター用銅配線層91の下方にプラグ33を、第2モニター用銅配線層101の下方にコンタクトホール6aを夫々形成して第1銅配線層5及び第2銅配線層8に近似した配線構造になっている点である。これによって、第1モニター用銅配線層91及び第2モニター用銅配線層101の結晶粒径及び粒径分布が第1銅配線層5及び第2銅配線層8のそれに近似したものとなり、高精度の結晶粒径及び粒径分布評価が可能になるという利点が期待できる。   FIG. 9 is a schematic sectional view showing a modification of the monitor chip region W12 shown in FIG. (A) corresponds to the monitor chip region W12a of FIG. 7, and (b) corresponds to the monitor chip region W12b of FIG. 8 differs from the monitor chip region of FIG. 8 in that a plug 33 is formed below the first monitor copper wiring layer 91 and a contact hole 6a is formed below the second monitor copper wiring layer 101, respectively. The wiring structure is similar to the layer 5 and the second copper wiring layer 8. As a result, the crystal grain size and grain size distribution of the first monitor copper wiring layer 91 and the second monitor copper wiring layer 101 approximate to those of the first copper wiring layer 5 and the second copper wiring layer 8, and the high The advantage that the crystal grain size and the particle size distribution can be accurately evaluated can be expected.

図10は図8及び図9に示すモニターチップ領域W12と異なる変形例を示す概略断面図である。このモニターチップ領域W12の特徴は、第1モニター用銅配線層91と第2モニター用銅配線層101の双方を備えている点にある。このため、第1モニター用銅配線層91によって第1銅配線層5の結晶粒径及び粒径分布評価をすることが出来る点は図8及び図9と同じであるが、第2モニター用銅配線層101を用いて評価する時は第1モニター用銅配線層91と第2モニター用銅配線層101の双方を重ね合わせた配線を評価することになる。このモニターチップ領域W12を用いる利点は、銅配線層の形成の都度評価をしないで、最後に纏めて評価することで半導体集積回路装置の製造プロセス数を低減できる点である。(a)はプラグ及びコンタクトホールを形成していないので製造が容易であり、(b)はプラグ及びコンタクトホールを形成していて素子チップ領域W11と同じ構造であり、素子チップ領域の評価が可能になる。   FIG. 10 is a schematic sectional view showing a modified example different from the monitor chip region W12 shown in FIGS. The feature of the monitor chip region W12 is that both the first monitor copper wiring layer 91 and the second monitor copper wiring layer 101 are provided. For this reason, the crystal grain size and grain size distribution of the first copper wiring layer 5 can be evaluated by the first monitor copper wiring layer 91 in the same way as in FIGS. When the evaluation is performed using the wiring layer 101, a wiring obtained by superimposing both the first monitoring copper wiring layer 91 and the second monitoring copper wiring layer 101 is evaluated. The advantage of using the monitor chip region W12 is that the number of manufacturing processes of the semiconductor integrated circuit device can be reduced by evaluating all together without forming each time the copper wiring layer is formed. (A) is easy to manufacture because no plug and contact hole are formed, and (b) is the same structure as the element chip region W11 in which the plug and contact hole are formed, and the element chip region can be evaluated. become.

図8、図9及び図10に示すモニターチップ領域W12を半導体ウエハに作り込む場合に重要な点は、第1モニター用銅配線層91及び第2モニター用銅配線層101の総質量を所定値以上にすることである。図11はモニターチップ領域W12の各配線層における単位面積あたりの配線層を形成している銅の総質量とX線回折ピーク強度との関係を測定した結果を示している。この結果によれば、単位面積当たりの銅の総質量が1×10 −5 g/cm以上であれば回折ピークの解析が可能になるが、それ未満であれば解析が出来たり出来なかったりし、3×10 −6 g/cm以下になると解析が不可能になることを確認した。このことは、本発明金属膜の結晶粒径及び粒径分布評価方法を使用する場合には、銅配線層の総質量が1×10 −5 g/cm以上であることを必要としている。従って、モニターチップ領域W12の各銅配線層における単位面積あたりの銅配線層の総質量を1×10 −5 g/cm以上にするために、第1モニター用銅配線層91及び第2モニター用銅配線層101の数を図8(c)に示すように線幅100nmの銅配線層を1400nm間隔で多数併設してある。 An important point when the monitor chip region W12 shown in FIGS. 8, 9, and 10 is formed on a semiconductor wafer is that the total mass of the first monitor copper wiring layer 91 and the second monitor copper wiring layer 101 is a predetermined value. That's it. FIG. 11 shows the result of measuring the relationship between the total mass of copper forming the wiring layer per unit area in each wiring layer of the monitor chip region W12 and the X-ray diffraction peak intensity. According to this result, if the total mass of copper per unit area is 1 × 10 −5 g / cm 2 or more, analysis of the diffraction peak is possible, but if it is less than that, analysis may not be possible. Then, it was confirmed that the analysis was impossible when it was 3 × 10 −6 g / cm 2 or less. This requires that the total mass of the copper wiring layer is 1 × 10 −5 g / cm 2 or more when the crystal grain size and grain size distribution evaluation method of the metal film of the present invention is used. Therefore, in order to make the total mass of the copper wiring layer per unit area in each copper wiring layer of the monitor chip region W12 be 1 × 10 −5 g / cm 2 or more, the first monitor copper wiring layer 91 and the second monitor As shown in FIG. 8C, a large number of copper wiring layers 101 having a line width of 100 nm are provided at intervals of 1400 nm.

半導体集積回路装置の配線層としてアルミニウムを使用する場合のモニター用アルミニウム配線層の総質量について説明する。粉末結晶試料における回折強度を求める一般数式(6)があり、この式を用いて銅及びアルミニウムの(111)面の回折強度Iを見積もることが出来る。

Figure 0005747406

式(6)で考慮されている種々の因子を算出し、銅のKα線を用いた場合の銅及びアルミニウムの(111)面の回折強度を求めてみると強度比がICu:IAl=100:28となり、銅と同程度の回折強度を得るためにアルミニウムでは約3.6倍の質量が必要であることが分かる。従って、モニター用アルミニウム配線層を用いてX線回折ピークを利用して結晶粒径及び粒径分布評価するためには、単位面積当たりの総質量は3.6×10−5g/cm2以上にすることが望ましい。 The total mass of the monitoring aluminum wiring layer when aluminum is used as the wiring layer of the semiconductor integrated circuit device will be described. There is a general formula (6) for obtaining the diffraction intensity in a powder crystal sample, and the diffraction intensity I of the (111) plane of copper and aluminum can be estimated using this formula.
Figure 0005747406

When various factors considered in the equation (6) are calculated, and the diffraction intensity of the (111) plane of copper and aluminum when copper Kα rays are used, the intensity ratio is ICu: IAI = 100: It can be seen that the mass of aluminum is about 3.6 times that of aluminum in order to obtain the same diffraction intensity as copper. Accordingly, in order to evaluate the crystal grain size and grain size distribution using the X-ray diffraction peak using the aluminum wiring layer for monitoring, the total mass per unit area should be 3.6 × 10 −5 g / cm 2 or more. It is desirable.

W 半導体ウエハ
W11 素子チップ領域
W12 モニターチップ領域
1 半導体基体
1a 一方の主表面
2 第1絶縁層
2a スルーホール
3 プラグ
4 第2絶縁層
4a 第1トレンチ
41 窒化シリコン層
42 シリコン酸化物層
5 第1銅配線層
5a バリア層
6 第3絶縁層
6a コンタクトホール
61 窒化シリコン層
62 シリコン酸化物層
7 第4絶縁層
7a 第2トレンチ
71 窒化シリコン層
72 シリコン酸化物層
8 第2銅配線層
8a バリア層。
91 第1モニター用銅配線層
101 第2モニター用銅配線層
W Semiconductor wafer W11 Element chip region W12 Monitor chip region 1 Semiconductor substrate 1a One main surface 2 First insulating layer 2a Through hole 3 Plug 4 Second insulating layer 4a First trench 41 Silicon nitride layer 42 Silicon oxide layer 5 First Copper wiring layer 5a Barrier layer 6 Third insulating layer 6a Contact hole 61 Silicon nitride layer 62 Silicon oxide layer 7 Fourth insulating layer 7a Second trench 71 Silicon nitride layer 72 Silicon oxide layer 8 Second copper wiring layer 8a Barrier layer .
91 First monitor copper wiring layer 101 Second monitor copper wiring layer

Claims (4)

多数個の領域に区分され、区分された領域が素子チップ領域及びモニターチップ領域となり、少なくとも前記素子チップ領域にはpn接合が形成された半導体ウエハを準備する工程、
前記半導体ウエハの前記素子チップ領域上に絶縁膜と結晶組織を有し特定の面方位においてX線回折ピークを持つ金属からなる配線層を交互に成膜し、前記モニターチップ領域上に前記絶縁膜と前記金属層を必要数成膜する工程、
前記半導体ウエハの前記モニターチップ領域上に形成された前記金属層にX線を照射して得られるX線回折ピークから前記金属層の結晶粒径及び粒径分布を評価する工程、を備え、
前記結晶粒径及び粒径分布を評価する工程が、前記金属層にX線を照射して回折ピークを入手する第1のステップと、前記回折ピークに基づいて面積平均コラム長及び体積平均コラム長を求める第2のステップと、前記面積平均コラム長及び前記体積平均コラム長から結晶粒径の対数正規分布を求める第3のステップと、から成る、
ことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
A step of preparing a semiconductor wafer which is divided into a plurality of regions, and the divided regions become an element chip region and a monitor chip region, and a pn junction is formed at least in the element chip region;
A wiring layer made of a metal having an insulating film and a crystal structure and having an X-ray diffraction peak in a specific plane orientation is alternately formed on the element chip region of the semiconductor wafer, and the insulating film is formed on the monitor chip region. And a step of forming the required number of metal layers,
Evaluating the crystal grain size and grain size distribution of the metal layer from an X-ray diffraction peak obtained by irradiating the metal layer formed on the monitor chip region of the semiconductor wafer with X-rays,
The step of evaluating the crystal grain size and the grain size distribution includes a first step of obtaining a diffraction peak by irradiating the metal layer with X-rays, and an area average column length and a volume average column length based on the diffraction peak. And a third step of obtaining a logarithmic normal distribution of crystal grain size from the area average column length and the volume average column length.
A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device.
前記金属層がアルミニウム、銅又はそれらを主成分とする合金から選ばれた金属である、
ことを特徴とする請求項記載の半導体集積回路装置の製造方法。
The metal layer is a metal selected from aluminum, copper, or an alloy based on them,
The method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 1 .
前記モニターチップ領域上に形成される前記金属層は前記素子チップ領域上に形成される前記金属層と同じ工程で形成され、前記モニターチップ領域の単位面積当たりの金属層の総質量が銅配線の場合は9×10−6g/cm2以上であり、アルミニウム配線の場合は3.6×10−5g/cm2以上である、
ことを特徴とする請求項又は記載の半導体集積回路装置の製造方法。
The metal layer formed on the monitor chip region is formed in the same process as the metal layer formed on the element chip region, and the total mass of the metal layer per unit area of the monitor chip region is copper wiring. In the case of 9 × 10 −6 g / cm 2 or more, in the case of aluminum wiring, it is 3.6 × 10 −5 g / cm 2 or more.
3. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein
前記金属層は前記絶縁膜に形成された幅100nm以下のトレンチに形成された配線層である、
ことを特徴とする請求項又は記載の半導体集積回路装置の製造方法。
The metal layer is a wiring layer formed in a trench having a width of 100 nm or less formed in the insulating film.
The method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 1 , 2 or 3 .
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