JP2002026015A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
Semiconductor device and method of manufacturing the sameInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 Cu配線のエレクトロマイグレーション特性
を向上する。
【解決手段】 コンタクトホール8および配線溝9を形
成後、イオン化スパッタ法等により(111)配向した
Al膜14を堆積した後、MOCVD法によりバリア膜
としてMOCVD−TiN膜10を堆積する。次にスパ
ッタ法でCuシード層11を形成後、電解メッキ法によ
りCuメッキ膜12を形成し、コンタクトホール8、配
線溝9を埋め込む。その後の温度上昇を伴う工程により
Cuメッキ膜12とCuシード層11は一つのCu膜1
3となる。CMP法等により配線溝外部の不要な導電膜
を除去し埋め込み配線を形成する。MOCVD−TiN
膜10は、その下に(111)配向したAl膜14を設
けたことで、膜中にCu(111)面と整合しやすい結
晶性を誘起し、上部のCu膜13の(111)配向性を
高められる。
(57) [Problem] To improve electromigration characteristics of Cu wiring. SOLUTION: After forming a contact hole 8 and a wiring groove 9, an (111) oriented Al film 14 is deposited by ionization sputtering or the like, and then a MOCVD-TiN film 10 is deposited as a barrier film by MOCVD. Next, after the Cu seed layer 11 is formed by the sputtering method, the Cu plating film 12 is formed by the electrolytic plating method, and the contact holes 8 and the wiring grooves 9 are buried. The Cu plating film 12 and the Cu seed layer 11 are combined into one Cu film 1 by a process involving a subsequent temperature rise.
It becomes 3. An unnecessary conductive film outside the wiring groove is removed by a CMP method or the like to form a buried wiring. MOCVD-TiN
The film 10 is provided with the (111) -oriented Al film 14 thereunder, thereby inducing a crystallinity that easily matches the Cu (111) plane in the film, and the (111) orientation of the upper Cu film 13 Can be enhanced.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、銅配線を有する半
導体装置およびその製造方法に関する。The present invention relates to a semiconductor device having a copper wiring and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】0.18μm世代以降のシリコンLSI
においては、トランジスタの高速化に対し配線のCR成
分による遅延が無視できなくなったため、従来のAl配
線(比抵抗3μΩ・cm)に変わってより低抵抗(比抵
抗1.7μΩ・cm)なCuを配線材料に用いる検討が
進んでいる。素子の微細化に伴い配線に流れる電流の密
度は世代ごとに増加しており、電流印加時に配線材料が
電子に押されて移動し、配線が断線してしまうエレクト
ロマイグレーションという現象に対してもその耐性を高
めていく必要がある。CuはAlに比べ融点が高いた
め、変形すなわち原子の移動が起こりにくいことが期待
される。2. Description of the Related Art Silicon LSI of 0.18 μm generation or later
In (2), since the delay due to the CR component of the wiring cannot be ignored with the increase in the speed of the transistor, Cu having a lower resistance (specific resistance of 1.7 μΩ · cm) is used instead of the conventional Al wiring (specific resistance of 3 μΩ · cm). Consideration is being given to using it for wiring materials. The density of the current flowing through the wiring has increased with each generation as the elements have been miniaturized, and the electromigration phenomenon, in which the wiring material is pushed by the electrons and moves when the current is applied, causing the wiring to be disconnected, is also required. It is necessary to increase resistance. Since Cu has a higher melting point than Al, it is expected that deformation, that is, movement of atoms, is unlikely to occur.
【0003】しかし、Cu配線においても0.3 μm幅程
度の微細な配線ではエレクトロマイグレーション耐性が
悪化するという報告(Y. Igarashi 他, VLSI Symp., p.
76,1996)があり、Cu配線においてもエレクトロマイ
グレーション耐性を高める必要がある。Cu配線のエレ
クトロマイグレーション耐性を向上するにはCu膜の
(111)配向性を高めればよいことが知られている
(C. Ryu他 Proc. IRPS.,p.201, 1997 )。この理由は
以下の通りである。第1に、Cuはfcc 金属であり、fc
c 金属は最稠密面(111)が最も安定なためである。
第2に、(111)配向性が高いということは隣り合っ
た結晶粒の方位のずれが小さく、結晶粒界における結晶
欠陥が少なくなるため、エレクトロマイグレーションに
よるCu原子の結晶粒界拡散が抑制されるためである。[0003] However, it has been reported that electromigration resistance is deteriorated even with Cu wiring as fine as about 0.3 µm (Y. Igarashi et al., VLSI Symp., P.
76, 1996), and it is necessary to improve the electromigration resistance even in a Cu wiring. It is known that the (111) orientation of the Cu film may be increased to improve the electromigration resistance of the Cu wiring (C. Ryu et al., Proc. IRPS., P. 201, 1997). The reason is as follows. First, Cu is an fcc metal and fc
c This is because the densest surface (111) of the metal is the most stable.
Second, the high (111) orientation means that the misalignment of adjacent crystal grains is small and the number of crystal defects at the crystal grain boundaries is reduced, so that diffusion of Cu atoms at the crystal grain boundaries due to electromigration is suppressed. That's because.
【0004】Cu配線においては、配線工程中の400 ℃
程度の熱処理によりCuが絶縁膜中に拡散し、配線間リ
ークが増加するのを防ぐ必要性があるため、Cuの拡散
を防ぐバリア膜をCuと絶縁膜の間に設ける必要があ
る。バリア膜としてはCuの拡散に対するバリア性が高
いアモルファスもしくは微結晶を含むチタンナイトライ
ド、タンタルナイトライド、タングステンナイトライド
膜が最も有望視されている。In the case of Cu wiring, 400 ° C. during the wiring process
Since it is necessary to prevent Cu from diffusing into the insulating film due to the heat treatment to a certain degree and to increase the leakage between wirings, it is necessary to provide a barrier film for preventing the diffusion of Cu between the Cu and the insulating film. As a barrier film, a titanium nitride, tantalum nitride, or tungsten nitride film containing amorphous or microcrystals having a high barrier property against Cu diffusion is considered most promising.
【0005】以下、バリア膜としてチタンナイトライド
膜を用いたCu配線を有する従来の半導体装置の製造方
法について、図8を参照しながら説明する。Hereinafter, a conventional method for manufacturing a semiconductor device having a Cu wiring using a titanium nitride film as a barrier film will be described with reference to FIG.
【0006】まず、図8(a) のように、半導体基板上の
第1の絶縁膜1中にバリアメタル2、第1のCu膜3か
らなる溝配線が形成され、第1のシリコン窒化膜4、第
2の絶縁膜5、第2のシリコン窒化膜6、第3の絶縁膜
7で覆われている半導体装置において、コンタクトホー
ル8、配線溝9が形成される。ここで、バリアメタル2
とシリコン窒化膜4は、配線工程中の400 ℃程度の熱処
理により第1のCu膜3中のCuが絶縁膜中に拡散する
のを防ぐ役割(バリア性)を果たしている。バリアメタ
ル2は例えばチタンナイトライド膜でもよい。First, as shown in FIG. 8A, a trench wiring comprising a barrier metal 2 and a first Cu film 3 is formed in a first insulating film 1 on a semiconductor substrate, and a first silicon nitride film is formed. 4, in the semiconductor device covered with the second insulating film 5, the second silicon nitride film 6, and the third insulating film 7, a contact hole 8 and a wiring groove 9 are formed. Here, barrier metal 2
The silicon nitride film 4 has a role (barrier property) of preventing the Cu in the first Cu film 3 from diffusing into the insulating film due to the heat treatment at about 400 ° C. in the wiring process. The barrier metal 2 may be, for example, a titanium nitride film.
【0007】次に図8(b) のように、MOCVD法によ
りバリア膜としてMOCVD−TiN(チタンナイトラ
イド)膜10を堆積する。次にスパッタ法でCu膜を堆
積し、導電層となるCuシード層11を形成後、図8
(c) のように電解メッキ法によりCu膜を堆積しCuメ
ッキ膜12を形成し、コンタクトホール8、配線溝9を
埋め込む。その後の温度上昇を伴う工程でCuの結晶成
長が起こり、Cuメッキ膜12とCuシード層11は一
つの膜となり、第2のCu膜13が形成される。Next, as shown in FIG. 8B, a MOCVD-TiN (titanium nitride) film 10 is deposited as a barrier film by MOCVD. Next, a Cu film is deposited by a sputtering method to form a Cu seed layer 11 serving as a conductive layer.
As shown in (c), a Cu film is deposited by electrolytic plating to form a Cu plating film 12, and the contact holes 8 and the wiring grooves 9 are buried. In a subsequent step involving a rise in temperature, crystal growth of Cu occurs, the Cu plating film 12 and the Cu seed layer 11 become one film, and the second Cu film 13 is formed.
【0008】次に図8(d) のように、CMP法等によ
り、配線溝外部のMOCVD−TiN膜10、第2のC
u膜13を除去し配線を形成する。後はシリコン窒化
膜、絶縁膜を堆積し、図8(a) 以降の工程が繰り返され
多層配線が形成される。Next, as shown in FIG. 8D, the MOCVD-TiN film 10 outside the wiring groove and the second C
The u film 13 is removed to form a wiring. Thereafter, a silicon nitride film and an insulating film are deposited, and the steps after FIG. 8A are repeated to form a multilayer wiring.
【0009】ここで、MOCVD−TiN膜10につい
ては、第2のCu膜13からなる上層配線の信頼性を向
上させることも期待されている。Here, with respect to the MOCVD-TiN film 10, it is also expected to improve the reliability of the upper wiring formed of the second Cu film 13.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、MOC
VD−TiN膜上のCu膜は(111)配向性が低いこ
とが知られている。これはMOCVD−TiN膜がアモ
ルファスもしくは微結晶を含む状態であるためであると
考えられる。CVD法によって形成されたバリア膜は、
スパッタ法により形成された膜と異なり、コンタクトホ
ールや配線溝の側壁にも厚くつけることができるという
利点があり、バリア性の点で有利であるが、結晶性に劣
るため、Cu膜の(111)配向性が低く、Cu配線の
エレクトロマイグレーション特性が悪いことが問題であ
る。However, the MOC
It is known that a Cu film on a VD-TiN film has low (111) orientation. It is considered that this is because the MOCVD-TiN film is in a state containing amorphous or microcrystal. The barrier film formed by the CVD method
Unlike a film formed by a sputtering method, it has an advantage that it can be formed thickly on the side wall of a contact hole or a wiring groove, which is advantageous in terms of barrier properties, but is inferior in crystallinity. There is a problem that the orientation is low and the electromigration characteristics of the Cu wiring are poor.
【0011】本発明の目的は、Cu配線のエレクトロマ
イグレーション特性を向上することができる半導体装置
およびその製造方法を提供することである。An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving the electromigration characteristics of Cu wiring and a method of manufacturing the same.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】表1に、Cu配線を構成
する膜を積層した積層構造と、Cu(111)面とCu
(200)面の回折強度比との関係について調べた結果
を示す。Table 1 shows a laminated structure in which films constituting a Cu wiring are laminated, a Cu (111) plane and a Cu (111) plane.
The result of having investigated about the relationship with the diffraction intensity ratio of a (200) plane is shown.
【0013】[0013]
【表1】 [Table 1]
【0014】表1中における積層構造は、上層から順に
示したものであり(Cuが最上層)、それぞれ平坦なシ
リコン窒化膜上に単に積層した試料について調べたもの
である。The laminated structures in Table 1 are shown in order from the upper layer (Cu is the uppermost layer), and are examined on samples each simply laminated on a flat silicon nitride film.
【0015】本発明者は、表1に示すように、MOCV
D−TiN膜の下に(111)配向したAl膜を設けた
Cu//MOCVD−TiN/ Al構造、(002)配向
した正方結晶のTa膜を設けたCu//MOCVD−Ti
N//Ta構造、(111)配向したTiN膜を設けたC
u//MOCVD−TiN//TiN構造の場合、Cuの
(111)配向性が向上することを見出した。シリコン
窒化膜上にMOCVD−TiN膜10nmを堆積後、基板
を空気暴露した後、Cu膜をスパッタ法で50nm堆積した
Cu//MOCVD−TiN構造の試料について、X線回
折法にて分析し、Cu(111)面とCu(200)面
の回折強度比I(111)/I(200)を測定した結
果を1とすると、MOCVD−TiN膜10nmを堆積する
前にAl膜10nmをスパッタしたCu//MOCVD−Ti
N/ Al構造の試料のI(111)/I(200)は
1.2、Ta膜10nmをスパッタしたCu//MOCVD−
TiN//Ta構造の試料のI(111)/I(200)
は2.3、TiN膜10nmをスパッタしたCu//MOCV
D−TiN//TiN構造の試料のI(111)/I(2
00)は2.5となり、それぞれ向上した。As shown in Table 1, the present inventor has shown that MOCV
Cu // MOCVD-TiN / Al structure provided with (111) oriented Al film under D-TiN film, Cu // MOCVD-Ti provided with (002) oriented tetracrystalline Ta film
C with N // Ta structure and TiN film with (111) orientation
In the case of the u // MOCVD-TiN // TiN structure, it has been found that the (111) orientation of Cu is improved. After depositing a MOCVD-TiN film 10 nm on a silicon nitride film, exposing the substrate to air, and then analyzing a sample of a Cu // MOCVD-TiN structure in which a Cu film was deposited to a thickness of 50 nm by sputtering, by X-ray diffraction, Assuming that the diffraction intensity ratio I (111) / I (200) between the Cu (111) plane and the Cu (200) plane is 1, Cu sputtered the Al film 10 nm before the MOCVD-TiN film 10 nm was deposited. // MOCVD-Ti
I / (111) / I (200) of the sample having the N / Al structure is 1.2, and Cu // MOCVD-sputtered Ta film of 10 nm is used.
I (111) / I (200) of sample with TiN // Ta structure
Is 2.3, Cu // MOCV sputtered with 10 nm TiN film
I (111) / I (2) of a sample having a D-TiN // TiN structure
00) was 2.5, which was improved respectively.
【0016】この理由は以下のように考えられる。まず
スパッタしたAl、Ta、TiN膜はそれぞれfcc 、Te
tragonal、fcc 結晶であり、その最稠密面(111)、
(002)、(111)に配向すると考えられる。この
時、Al,TiNは、図7に示すように、(111)面
内の最近接原子間距離が2.86Åと3.00Åと近いため、A
l,TiNがMOCVD−TiNの下にあるとMOCV
D−TiN膜中で(111)配向が進むような結晶化が
進行すると考えられる。(111)配向したTiN膜は
Cu膜と面内原子間隔3.00×6=18、2.55×7=17.85 すな
わち6倍と7倍周期で格子整合してCu膜の(111)
配向性を高めると考えられる。The reason is considered as follows. First, the sputtered Al, Ta, and TiN films are fcc and Te, respectively.
tragonal, fcc crystal, its densest surface (111),
It is considered to be oriented to (002) and (111). At this time, as shown in FIG. 7, Al and TiN have the closest inter-atomic distances in the (111) plane of 2.86 ° and 3.00 °, so that A
l, TiN is below MOCVD-TiN and MOCV
It is considered that crystallization proceeds such that the (111) orientation proceeds in the D-TiN film. The (111) -oriented TiN film is lattice-matched with the Cu film at an in-plane atomic spacing of 3.00 × 6 = 18, 2.55 × 7 = 17.85, that is, at a 6-times and 7-times period, and the (111)
It is considered to enhance the orientation.
【0017】Cu//Al/ MOCVD−TiN/ Al構
造の試料でも、Cu(111)配向性がCu//MOCV
D−TiN/ Al構造の1.2に比べて1.4とやや向
上している。したがって、Cu膜の下に直接Al膜を形
成することでも、Cu(111)面とAl(111)が
面内原子間隔が近いためにCu(111)配向性は向上
する。Even in a sample having a Cu // Al / MOCVD-TiN / Al structure, the Cu (111) orientation is Cu // MOCV.
It is slightly improved to 1.4 compared to 1.2 of the D-TiN / Al structure. Therefore, even if an Al film is formed directly under the Cu film, the Cu (111) orientation is improved because the Cu (111) plane and the Al (111) have close atomic spacings in the plane.
【0018】また、(002)配向したTa膜において
もその[220]方向でCuの(111)面と格子整合
する周期があると報告されていることから、Al,Ti
Nと同様な効果すなわちアモルファスなMOCVD−T
iN上にCuと整合しやすい周期的秩序を作り出し、そ
のためにCu(111)配向性が向上したものと考えら
れる。Also, it has been reported that a (002) -oriented Ta film also has a period of lattice matching with the (111) plane of Cu in the [220] direction.
Effect similar to N, ie, amorphous MOCVD-T
It is considered that a periodic order that easily matches with Cu was created on iN, and thus the Cu (111) orientation was improved.
【0019】以上の理由より、本発明の請求項1,請求
項5に記載の発明は、Cu配線の一部としてCu膜の下
に(111)配向したAl膜を設けることで、Cu膜の
(111)配向性を高めることができる。According to the first and fifth aspects of the present invention, for the above reasons, the (111) -oriented Al film is provided under the Cu film as a part of the Cu wiring, so that the Cu film is (111) orientation can be improved.
【0020】また、本発明の請求項2,請求項10に記
載の発明は、Cu埋め込み配線の一部として、アモルフ
ァスもしくは微結晶を含む状態のバリア膜の下に(11
1)配向したAl膜を設けることで、バリア膜の結晶性
を高め、その上のCu膜の(111)配向性を高めるこ
とができる。According to the second and tenth aspects of the present invention, as a part of the Cu buried wiring, (11)
1) By providing an oriented Al film, the crystallinity of the barrier film can be enhanced, and the (111) orientation of the Cu film thereon can be enhanced.
【0021】また、Cu膜の下に(111)配向したA
l膜を形成することでも、Cu(111)面とAl(1
11)が面内原子間隔が近いためにCu(111)配向
性は向上する。そのため、本発明の請求項3,請求項1
2に記載の発明は、Cu埋め込み配線の一部としてアモ
ルファスもしくは微結晶を含む状態のバリア膜とCu膜
の間に(111)配向したAl膜を設けることで、バリ
ア膜の結晶性を変化させずにCu膜の(111)配向性
を高めることができる。バリア膜はアモルファスなほど
バリア性が高いと言われているので、この構造はバリア
性を損なわずにCu膜の(111)配向性を高めること
ができるという利点がある。A (111) -oriented A under the Cu film
Also, by forming an l film, the Cu (111) plane and the Al (1
In (11), since the in-plane atomic spacing is close, the Cu (111) orientation is improved. Therefore, claim 3 of the present invention, claim 1
According to the invention described in 2 above, the crystallinity of the barrier film is changed by providing an (111) -oriented Al film between the barrier film and the Cu film containing amorphous or microcrystal as a part of the Cu embedded wiring. Without increasing the (111) orientation of the Cu film. Since the barrier film is said to have higher barrier properties as it is amorphous, this structure has the advantage that the (111) orientation of the Cu film can be increased without impairing the barrier properties.
【0022】また、本発明の請求項4,請求項13に記
載の発明は、埋め込み配線内の(111)配向したAl
膜を、配線用凹部の底面での膜厚が厚くかつ(111)
配向し、配線用凹部の側面での膜厚が薄くかつ必ずしも
(111)配向していないようにすることにより、配線
用凹部の側面に垂直に<111>軸が向くようなCu膜
の成長が抑制され、配線用凹部の底面に垂直に<111
>軸が向くような成長をさせることにより、溝配線にお
けるCu(111)配向性を向上させることができる。According to a fourth or thirteenth aspect of the present invention, the (111) -oriented Al in the buried wiring is provided.
The film is formed so that the film thickness at the bottom surface of the wiring recess is large and (111)
By aligning and making the film thickness on the side surfaces of the wiring recesses small and not necessarily (111) oriented, the growth of the Cu film in which the <111> axis is perpendicular to the side surfaces of the wiring recesses can be prevented. Suppressed and perpendicular to the bottom of the wiring recess <111
> By growing such that the axis is oriented, the Cu (111) orientation in the trench wiring can be improved.
【0023】本発明の請求項6,請求項14に記載の発
明は、配線パターンをエッチングで形成する場合であ
り、アモルファスもしくは微結晶を含む状態のバリア膜
の下に(111)配向したAl膜を設けることで、請求
項2,請求項10同様、Cu膜の(111)配向性を高
めることができる。The invention according to claims 6 and 14 of the present invention is a case where a wiring pattern is formed by etching, and an (111) -oriented Al film is formed under a barrier film containing amorphous or microcrystals. Is provided, the (111) orientation of the Cu film can be enhanced as in the second and tenth aspects.
【0024】ところで、スパッタした膜の結晶性を向上
する方法に膜堆積前の絶縁膜上をArプラズマにさらす
ことにより、絶縁膜表面を清浄にしスパッタ膜の配向性
を向上することができる。そのため、本発明の請求項1
1,請求項15に記載の発明は、層間絶縁膜表面をAr
プラズマにさらすことにより、スパッタ法により形成さ
れる(111)配向したAl膜の配向性を高めることが
でき、その上層のCu膜の(111)配向性を高めるこ
とができる。By exposing the insulating film before the film deposition to Ar plasma in a method for improving the crystallinity of the sputtered film, the insulating film surface can be cleaned and the orientation of the sputtered film can be improved. Therefore, claim 1 of the present invention
According to a fifteenth aspect of the present invention, the surface of the interlayer insulating film is Ar
By exposing to plasma, the orientation of the (111) -oriented Al film formed by the sputtering method can be enhanced, and the (111) orientation of the upper Cu film can be enhanced.
【0025】本発明の請求項7,請求項16に記載の発
明は、配線パターンをエッチングで形成する場合であ
り、アモルファスもしくは微結晶を含む状態のバリア膜
とCu膜の間に(111)配向したAl膜を設けること
で、請求項3,請求項12同様、バリア性を損なわずに
Cu膜の(111)配向性を高めることができる。The invention according to claims 7 and 16 of the present invention is directed to a case where a wiring pattern is formed by etching, wherein (111) orientation is provided between a barrier film containing amorphous or microcrystal and a Cu film. By providing the Al film thus formed, the (111) orientation of the Cu film can be increased without impairing the barrier property, as in the third and twelfth aspects.
【0026】また、本発明の請求項8,請求項17に記
載の発明のように、アモルファスもしくは微結晶を含む
状態のバリア膜として、MOCVD法によって堆積され
たチタンナイトライド膜、またはスパッタ法もしくはC
VD法によって堆積されたタンタルナイトライド膜もし
くはタングステンナイトライド膜を用いることができ、
これらのバリア膜を用いても(111)配向したAl膜
や、後述の(111)配向したTiN膜または(00
2)配向したTa膜を下地に用いることでアモルファス
な膜中にCuと整合しやすい周期的秩序を作り出し、そ
のためにCu膜の(111)配向性を向上できる。Further, as in the invention according to claims 8 and 17 of the present invention, a titanium nitride film deposited by MOCVD, a sputtering method or C
A tantalum nitride film or a tungsten nitride film deposited by a VD method can be used,
Even when these barrier films are used, a (111) -oriented Al film, a (111) -oriented TiN film or a (00
2) By using an oriented Ta film as a base, a periodic order that easily matches with Cu is created in the amorphous film, and therefore, the (111) orientation of the Cu film can be improved.
【0027】また、本発明の請求項9,請求項18に記
載の発明のように、(111)配向したAl膜の代わり
に、(111)配向したTiN膜または(002)配向
したTa膜を用いても同様の効果が得られる。Further, according to the ninth and eighteenth aspects of the present invention, instead of the (111) -oriented Al film, a (111) -oriented TiN film or a (002) -oriented Ta film is used. The same effect can be obtained by using.
【0028】以上のように本発明では、Cu膜の(11
1)配向性を向上させることによりエレクトロマイグレ
ーション耐性の高いCu配線を形成することができる。As described above, according to the present invention, (11)
1) By improving the orientation, a Cu wiring having high electromigration resistance can be formed.
【0029】[0029]
【発明の実施の形態】(第1の実施の形態)図1(a) 〜
(d) を用いて本発明の第1の実施の形態における半導体
装置およびその製造方法について説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) FIGS.
The semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same will be described with reference to FIG.
【0030】まず、図1(a) のように、半導体基板上の
第1の絶縁膜1中にバリアメタル2、第1のCu膜3か
らなる溝配線が形成され、第1のシリコン窒化膜4、第
2の絶縁膜5、第2のシリコン窒化膜6、第3の絶縁膜
7で覆われている製造途中の半導体装置において、約50
0nm の深さのコンタクトホール8、約300nm 深さの配線
溝9を形成する。ここで、バリアメタル2とシリコン窒
化膜4は配線工程中の400 ℃程度の熱処理により第1の
Cu膜3のCuが絶縁膜中に拡散するのを防ぐ役割(バ
リア性)を果たしている。First, as shown in FIG. 1A, a trench wiring comprising a barrier metal 2 and a first Cu film 3 is formed in a first insulating film 1 on a semiconductor substrate, and a first silicon nitride film is formed. 4. In the semiconductor device being manufactured, which is covered with the second insulating film 5, the second silicon nitride film 6, and the third insulating film 7, about 50
A contact hole 8 having a depth of 0 nm and a wiring groove 9 having a depth of about 300 nm are formed. Here, the barrier metal 2 and the silicon nitride film 4 play a role (barrier property) of preventing the Cu of the first Cu film 3 from diffusing into the insulating film due to the heat treatment at about 400 ° C. during the wiring process.
【0031】次に図1(b) のように、イオン化スパッタ
法等により(111)配向したAl膜14を10nm堆積す
る。次にMOCVD法によりバリア膜としてMOCVD
−TiN(チタンナイトライド)膜10を10nm堆積す
る。TiN膜10の表面を空気にさらした後、次にスパ
ッタ法でCu膜を100nm 堆積し導電層となるCuシード
層11を形成後、図1(c) のように電解メッキ法により
Cu膜を500nm 堆積しCuメッキ膜12を形成し、コン
タクトホール8、配線溝9を埋め込む。その後の温度上
昇を伴う工程でCuの結晶成長が起こりCuメッキ膜1
2とCuシード層11は一つの膜となり、第2のCu膜
13が形成される。Next, as shown in FIG. 1B, a (111) -oriented Al film 14 is deposited to a thickness of 10 nm by ionization sputtering or the like. Next, MOCVD is performed as a barrier film by MOCVD.
-Deposit a 10 nm TiN (titanium nitride) film 10. After exposing the surface of the TiN film 10 to air, a Cu film is deposited to a thickness of 100 nm by sputtering to form a Cu seed layer 11 serving as a conductive layer, and then the Cu film is formed by electrolytic plating as shown in FIG. A Cu plating film 12 is formed to a thickness of 500 nm, and the contact holes 8 and the wiring grooves 9 are buried. In a subsequent process involving a temperature rise, Cu crystal growth occurs and the Cu plating film 1 is formed.
2 and the Cu seed layer 11 form one film, and the second Cu film 13 is formed.
【0032】次に図1(d) のように、CMP法等によ
り、配線溝外部のAl膜14、MOCVD−TiN膜1
0、第2のCu膜13を除去し埋め込み配線を形成す
る。後はシリコン窒化膜、絶縁膜を堆積し、図1(a) 以
降の工程が繰り返され多層配線が形成される。Next, as shown in FIG. 1D, the Al film 14 and the MOCVD-TiN film 1 outside the wiring groove are formed by a CMP method or the like.
0, the second Cu film 13 is removed to form a buried wiring. Thereafter, a silicon nitride film and an insulating film are deposited, and the steps after FIG. 1A are repeated to form a multilayer wiring.
【0033】本実施の形態では、(111)配向したA
l膜14がMOCVD−TiN膜10の下にあるため、
MOCVD−TiN膜10も原子間隔がAl(111)
面に近いTiN(111)面を形成するような微結晶化
が進行すると考えられる。すると(課題を解決するため
の手段)で述べたようにTiN(111)面上ではCu
(111)面が形成されやすいため、Cu(111)配
向性が向上する。従って本実施の形態によれば、側壁カ
バレッジがよくバリア性の高いMOCVD−TiN膜1
0をバリア膜として用いたCu配線のエレクトロマイグ
レーション特性を向上させることができる。In this embodiment, the (111) -oriented A
Because the film 14 is under the MOCVD-TiN film 10,
The atomic spacing of the MOCVD-TiN film 10 is also Al (111).
It is considered that microcrystallization proceeds to form a TiN (111) plane close to the plane. Then, as described in (Means for solving the problem), CuN on the TiN (111) surface
Since the (111) plane is easily formed, the Cu (111) orientation is improved. Therefore, according to the present embodiment, the MOCVD-TiN film 1 having good side wall coverage and high barrier properties
Electromigration characteristics of Cu wiring using 0 as a barrier film can be improved.
【0034】(第2の実施の形態)図2(a) 〜(d) を用
いて本発明の第2の実施の形態における半導体装置の製
造方法について説明する。(Second Embodiment) A method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (d).
【0035】まず、図2(a) のように、半導体基板上の
第1の絶縁膜1中にバリアメタル2、第1のCu膜3か
らなる溝配線が形成され、第1のシリコン窒化膜4、第
2の絶縁膜5、第2のシリコン窒化膜6、第3の絶縁膜
7で覆われている製造途中の半導体装置において、約50
0nm の深さのコンタクトホール8、約300nm 深さの配線
溝9を形成する。そして0.4mTorr程度の圧力のArプラ
ズマに半導体装置をさらす。処理時間は、例えばSiO
2 換算15nmエッチング相当行う。この時ウエーハ側にバ
イアス電圧がかかっていてもよい。First, as shown in FIG. 2A, a trench wiring comprising a barrier metal 2 and a first Cu film 3 is formed in a first insulating film 1 on a semiconductor substrate, and a first silicon nitride film is formed. 4. In the semiconductor device being manufactured, which is covered with the second insulating film 5, the second silicon nitride film 6, and the third insulating film 7, about 50
A contact hole 8 having a depth of 0 nm and a wiring groove 9 having a depth of about 300 nm are formed. Then, the semiconductor device is exposed to Ar plasma having a pressure of about 0.4 mTorr. The processing time is, for example, SiO 2
Performs 15 nm etching equivalent to 2 At this time, a bias voltage may be applied to the wafer side.
【0036】次に図2(b) のように、イオン化スパッタ
法等により(111)配向したAl膜14を10nm堆積す
る。次にMOCVD法によりバリア膜としてMOCVD
−TiN(チタンナイトライド)膜10を10nm堆積す
る。TiN膜10の表面を空気にさらした後、次にスパ
ッタ法でCu膜を100nm 堆積し導電層となるCuシード
層11を形成後、図2(c) のように電解メッキ法により
Cu膜を500nm 堆積しCuメッキ膜12を形成し、コン
タクトホール8、配線溝9を埋め込む。その後の温度上
昇を伴う工程でCuの結晶成長が起こりCuメッキ膜1
2とCuシード層11は一つの膜となり、第2のCu膜
13が形成される。Next, as shown in FIG. 2B, an Al film 14 having a (111) orientation is deposited to a thickness of 10 nm by ionization sputtering or the like. Next, MOCVD is performed as a barrier film by MOCVD.
-Deposit a 10 nm TiN (titanium nitride) film 10. After exposing the surface of the TiN film 10 to air, a Cu film is deposited to a thickness of 100 nm by a sputtering method to form a Cu seed layer 11 serving as a conductive layer, and then the Cu film is formed by an electrolytic plating method as shown in FIG. A Cu plating film 12 is formed to a thickness of 500 nm, and the contact holes 8 and the wiring grooves 9 are buried. In a subsequent process involving a temperature rise, Cu crystal growth occurs and the Cu plating film 1 is formed.
2 and the Cu seed layer 11 form one film, and the second Cu film 13 is formed.
【0037】次に図2(d) のように、CMP法等によ
り、配線溝外部のAl膜14、MOCVD−TiN膜1
0、第2のCu膜13を除去し埋め込み配線を形成す
る。後はシリコン窒化膜、絶縁膜を堆積し、図2(a) 以
降の工程が繰り返され多層配線が形成される。Next, as shown in FIG. 2D, the Al film 14 and the MOCVD-TiN film 1 outside the wiring groove are formed by a CMP method or the like.
0, the second Cu film 13 is removed to form a buried wiring. Thereafter, a silicon nitride film and an insulating film are deposited, and the steps after FIG. 2A are repeated to form a multilayer wiring.
【0038】本実施の形態では、Al膜14の形成前に
Arプラズマにさらすことにより絶縁膜(第2のシリコ
ン窒化膜6)表面を清浄にし、スパッタ法によるAl膜
14の(111)配向性をさらに向上させることがで
き、MOCVD−TiN膜10の(111)結晶性向上
を通してCu(111)配向性がさらに向上する。従っ
て、側壁カバレッジがよくバリア性の高いMOCVD−
TiN膜10をバリア膜として用いたCu配線のエレク
トロマイグレーション特性を、第1の実施の形態の場合
よりさらに向上させることができる。In this embodiment, the surface of the insulating film (second silicon nitride film 6) is cleaned by exposing it to Ar plasma before the formation of the Al film 14, and the (111) orientation of the Al film 14 is formed by sputtering. Can be further improved, and the (111) crystallinity of the MOCVD-TiN film 10 is improved to further improve the Cu (111) orientation. Therefore, the MOCVD-
The electromigration characteristics of the Cu wiring using the TiN film 10 as a barrier film can be further improved as compared with the case of the first embodiment.
【0039】(第3の実施の形態)図3(a) 〜(d) を用
いて本発明の第3の実施の形態における半導体装置およ
びその製造方法について説明する。(Third Embodiment) A semiconductor device and a method of manufacturing the same according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 (a) to 3 (d).
【0040】図3(a) の工程は図1(a) の工程と同じな
ので説明を省略する。The process of FIG. 3A is the same as the process of FIG.
【0041】次に図3(b) のように、イオン化スパッタ
法等により(111)配向したAl膜14を10nm堆積す
る。次にMOCVD法によりバリア膜としてMOCVD
−TiN(チタンナイトライド)膜10を10nm堆積す
る。さらにイオン化スパッタ法等により(111)配向
したAl膜15を10nm堆積する。Al膜15の表面を空
気にさらした後、次にスパッタ法でCu膜を100nm 堆積
し導電層となるCuシード層11を形成後、図3(c) の
ように電解メッキ法によりCu膜を500nm 堆積しCuメ
ッキ膜12を形成し、コンタクトホール8、配線溝9を
埋め込む。その後の温度上昇を伴う工程でCuの結晶成
長が起こりCuメッキ膜12とCuシード層11は一つ
の膜となり、第2のCu膜13が形成される。Next, as shown in FIG. 3B, an Al film 14 having a (111) orientation is deposited to a thickness of 10 nm by ionization sputtering or the like. Next, MOCVD is performed as a barrier film by MOCVD.
-Deposit a 10 nm TiN (titanium nitride) film 10. Further, an Al film 15 having a (111) orientation is deposited to a thickness of 10 nm by ionization sputtering or the like. After exposing the surface of the Al film 15 to air, a Cu film is deposited to a thickness of 100 nm by sputtering to form a Cu seed layer 11 serving as a conductive layer, and then the Cu film is formed by electrolytic plating as shown in FIG. A Cu plating film 12 is formed to a thickness of 500 nm, and the contact holes 8 and the wiring grooves 9 are buried. In a subsequent step involving an increase in temperature, crystal growth of Cu occurs, and the Cu plating film 12 and the Cu seed layer 11 become one film, and the second Cu film 13 is formed.
【0042】次に図3(d) のように、CMP法等によ
り、配線溝外部のAl膜14、15、MOCVD−Ti
N膜10、第2のCu膜13を除去し埋め込み配線を形
成する。後はシリコン窒化膜、絶縁膜を堆積し、図3
(a) 以降の工程が繰り返され多層配線が形成される。Next, as shown in FIG. 3D, the Al films 14, 15 outside the wiring trench and the MOCVD-Ti
The N film 10 and the second Cu film 13 are removed to form a buried wiring. After that, a silicon nitride film and an insulating film are deposited, and FIG.
(a) The subsequent steps are repeated to form a multilayer wiring.
【0043】本実施の形態では、MOCVD−TiN膜
10上に(111)配向したAl膜15を形成し、その
上に直接Cuを堆積しているため、(課題を解決するた
めの手段)で述べたようにCu(111)配向性が向上
し、Cu配線のエレクトロマイグレーション特性を向上
させることができる。また、本実施の形態においてはA
l膜14は省略してもよい。その場合、下地Al膜がな
いのでMOCVD−TiN膜10の結晶性を変化させず
にCuの(111)配向性を高めることができる。バリ
ア膜はアモルファスなほどバリア性が高いと言われてい
るので、Al膜14を省略した構造ではバリア性を損な
わずにCuの(111)配向性を高めることができると
いう利点がある。In the present embodiment, since the (111) -oriented Al film 15 is formed on the MOCVD-TiN film 10 and Cu is directly deposited on the Al film 15, (means for solving the problem) As described above, the Cu (111) orientation is improved, and the electromigration characteristics of the Cu wiring can be improved. In the present embodiment, A
The l film 14 may be omitted. In this case, since there is no underlying Al film, the (111) orientation of Cu can be increased without changing the crystallinity of the MOCVD-TiN film 10. Since the barrier film is said to have higher barrier properties as it is amorphous, the structure in which the Al film 14 is omitted has an advantage that the (111) orientation of Cu can be increased without impairing the barrier properties.
【0044】なお、上記第1〜第3の実施の形態におい
て、Al膜14,15は、配線溝9およびコンタクトホ
ール8の底面では膜厚が厚くかつ(111)配向し、配
線溝9およびコンタクトホール8の側面では薄くかつ必
ずしも(111)配向していないようにすることが好ま
しい。これにより、配線溝9およびコンタクトホール8
の側面に垂直に<111>軸が向くようなCu膜の成長
を抑制し、配線溝9およびコンタクトホール8の底面に
垂直に<111>軸が向くような成長を促進させること
ができ、溝配線におけるCu(111)配向性をさらに
向上させることができる。さらに言えば、配線溝9およ
びコンタクトホール8の側面のAl膜14,15は、全
く(111)配向していないほうがCu(111)配向
性は向上する。よりさらに言えば、配線溝9およびコン
タクトホール8の側壁にはAl膜14,15が形成され
ていなくてもよい。In the first to third embodiments, the Al films 14 and 15 are thicker and (111) oriented at the bottoms of the wiring grooves 9 and the contact holes 8, and the Al films 14 and 15 are It is preferable that the side surface of the hole 8 is thin and not necessarily (111) -oriented. Thereby, the wiring groove 9 and the contact hole 8 are formed.
The growth of the Cu film in which the <111> axis is oriented perpendicular to the side surface of the trench can be suppressed, and the growth in which the <111> axis is oriented perpendicular to the bottom surface of the wiring groove 9 and the contact hole 8 can be promoted. The Cu (111) orientation in the wiring can be further improved. Furthermore, if the Al films 14 and 15 on the side surfaces of the wiring groove 9 and the contact hole 8 are not (111) oriented at all, the Cu (111) orientation is improved. Furthermore, the Al films 14 and 15 may not be formed on the side walls of the wiring groove 9 and the contact hole 8.
【0045】また、上記第1〜第3の実施の形態におい
て、第1のCu膜3、第2のCu膜13は純Cuを用い
たが、他のCu合金を成膜してもよい。また、Cuシー
ド層11とCuメッキ膜12の2つの膜を堆積して第2
のCu膜13としたが、Cuシード層11堆積やCuメ
ッキ膜12堆積を行わずに、CVD法や無電解メッキ
法、CVD+高温スパッタ法、スパッタ+リフロー法や
イオンプレーティング法等で第2のCu膜13を一度に
成膜してもよい。In the first to third embodiments, pure Cu is used for the first Cu film 3 and the second Cu film 13, but another Cu alloy may be formed. Further, two films of a Cu seed layer 11 and a Cu plating film 12 are deposited to form a second
The Cu film 13 was used, but without depositing the Cu seed layer 11 or the Cu plating film 12, the second method was performed by the CVD method, the electroless plating method, the CVD + high temperature sputtering method, the sputtering + reflow method, the ion plating method, or the like. May be formed at one time.
【0046】また、第1,第2,第3の絶縁膜1,5,
7は、塗布膜やSiO2 膜やCを含む誘電率の低いCV
D膜を用いてもよい。The first, second, and third insulating films 1, 5,
7 is a CV having a low dielectric constant including a coating film, a SiO 2 film and C.
A D film may be used.
【0047】また、配線構造としてコンタクトホール8
と配線溝9を同時に埋め込むデュアルダマシンと呼ばれ
る方法(この場合、コンタクトホール8と配線溝9が配
線用凹部)を用いたが、一方ずつを本方法で埋め込みし
ていってもよい。例えば、絶縁膜にコンタクトホールを
形成し、そのコンタクトホールを埋め込む際に、上記で
説明した膜構成および形成方法を用いて行うことができ
る(この場合、コンタクトホールが配線用凹部)。ま
た、絶縁膜に配線溝を形成し、その配線溝を埋め込む際
に、上記で説明した膜構成および形成方法を用いて行う
ことができる(この場合、配線溝が配線用凹部)。The contact hole 8 is used as a wiring structure.
In this case, a method called dual damascene (in this case, the contact hole 8 and the wiring groove 9 are wiring concave portions) for simultaneously filling the wiring groove 9 is used, but one of them may be filled by this method. For example, when a contact hole is formed in an insulating film and the contact hole is buried, the contact hole can be formed using the above-described film configuration and formation method (in this case, the contact hole is a recess for wiring). In addition, when a wiring groove is formed in an insulating film and the wiring groove is buried, the film structure and the formation method described above can be used (in this case, the wiring groove is a wiring recess).
【0048】なお、図1〜図3において、バリアメタル
2および第1のCu膜3で形成された下層の配線につい
ては、説明の都合上(説明の簡単化のため)従来例と同
じものとし、本発明を適用していないが、この下層の配
線についても本発明の構成および製造方法を適用するこ
とができるのは言うまでもない。In FIGS. 1 to 3, the lower wiring formed by the barrier metal 2 and the first Cu film 3 is the same as the conventional example for the sake of explanation (for simplification of the explanation). Although the present invention has not been applied, it goes without saying that the configuration and the manufacturing method of the present invention can be applied to this lower wiring.
【0049】(第4の実施の形態)図4(a) 〜(d) を用
いて本発明の第4の実施の形態における半導体装置およ
びその製造方法について説明する。(Fourth Embodiment) A semiconductor device and a method of manufacturing the same according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (d).
【0050】まず図4(a) のように、半導体基板上の第
1の絶縁膜1上にイオン化スパッタ法等により(11
1)配向したAl膜14を10nm堆積する。次にMOCV
D法によりバリア膜としてMOCVD−TiN(チタン
ナイトライド)膜10を10nm堆積する。次にスパッタ法
でCu膜16を300nm 堆積する。First, as shown in FIG. 4A, (11) is formed on the first insulating film 1 on the semiconductor substrate by ionization sputtering or the like.
1) Deposit an oriented Al film 14 to a thickness of 10 nm. Next, MOCV
A 10 nm MOCVD-TiN (titanium nitride) film 10 is deposited as a barrier film by the D method. Next, a Cu film 16 is deposited to a thickness of 300 nm by sputtering.
【0051】次に図4(b) のように、レジスト17で配
線パターンを形成し、図4(c) のように、ドライエッチ
ング法によりAl膜14、MOCVD−TiN膜10、
Cu膜16をエッチングし配線を形成する。最後に図4
(d) のように、シリコン窒化膜18、第2の絶縁膜5で
配線のまわりを囲む。Next, as shown in FIG. 4 (b), a wiring pattern is formed with a resist 17, and as shown in FIG. 4 (c), the Al film 14, the MOCVD-TiN film 10,
The Cu film 16 is etched to form a wiring. Finally, FIG.
As shown in (d), the silicon nitride film 18 and the second insulating film 5 surround the wiring.
【0052】本実施の形態においても、(111)配向
したAl膜14がMOCVD−TiN膜10の下にある
ため、MOCVD−TiN膜10中に(111)配向し
た微結晶が増加し、上層のCu膜16の(111)配向
性が向上すると考えられる。従って本実施の形態によれ
ば、Cu配線のエレクトロマイグレーション特性を向上
することができる。Also in the present embodiment, since the (111) -oriented Al film 14 is under the MOCVD-TiN film 10, the number of (111) -oriented microcrystals in the MOCVD-TiN film 10 increases, and It is considered that the (111) orientation of the Cu film 16 is improved. Therefore, according to the present embodiment, the electromigration characteristics of the Cu wiring can be improved.
【0053】(第5の実施の形態)図5(a) 〜(d) を用
いて本発明の第5の実施の形態における半導体装置の製
造方法について説明する。(Fifth Embodiment) A method for manufacturing a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (d).
【0054】まず、図5(a) のように、半導体基板上の
第1の絶縁膜1上にArプラズマ処理を加える。次に図
5(b) のように、イオン化スパッタ法等により(11
1)配向したAl膜14を10nm堆積する。次にMOCV
D法により、バリア膜としてMOCVD−TiN膜10
を10nm堆積する。次にスパッタ法でCu膜16を300nm
堆積する。その上に、レジスト17で配線パターンを形
成し、図5(c) のようにドライエッチング法によりAl
膜14、MOCVD−TiN膜10、Cu膜16をエッ
チングし配線を形成する。最後に図5(d) のように、シ
リコン窒化膜18、第2の絶縁膜5で配線のまわりを囲
む。First, as shown in FIG. 5A, an Ar plasma treatment is applied to the first insulating film 1 on the semiconductor substrate. Next, as shown in FIG. 5B, (11)
1) Deposit an oriented Al film 14 to a thickness of 10 nm. Next, MOCV
MOCVD-TiN film 10 as a barrier film by D method
Is deposited to a thickness of 10 nm. Next, the Cu film 16 was formed to a thickness of 300 nm by sputtering.
accumulate. On top of this, a wiring pattern is formed with a resist 17 and, as shown in FIG.
The film 14, the MOCVD-TiN film 10, and the Cu film 16 are etched to form wiring. Finally, as shown in FIG. 5D, the silicon nitride film 18 and the second insulating film 5 surround the wiring.
【0055】本実施の形態によれば、第2の実施の形態
同様、Arプラズマ処理により第1の絶縁膜1表面を清
浄にでき、Al膜14の(111)配向性がさらに向上
するため、MOCVD−TiN膜10の結晶性向上を通
して上層のCu膜16の(111)配向性がさらに向上
する。従って、Cu配線のエレクトロマイグレーション
特性を、第4の実施の形態の場合よりさらに向上させる
ことができる。According to this embodiment, as in the second embodiment, the surface of the first insulating film 1 can be cleaned by Ar plasma treatment, and the (111) orientation of the Al film 14 is further improved. By improving the crystallinity of the MOCVD-TiN film 10, the (111) orientation of the upper Cu film 16 is further improved. Therefore, the electromigration characteristics of the Cu wiring can be further improved as compared with the case of the fourth embodiment.
【0056】(第6の実施の形態)図6(a) 〜(d) を用
いて本発明の第6の実施の形態における半導体装置およ
びその製造方法について説明する。(Sixth Embodiment) A semiconductor device and a method of manufacturing the same according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 (a) to 6 (d).
【0057】まず図6(a) のように、半導体基板上の第
1の絶縁膜1上にイオン化スパッタ法等により(11
1)配向したAl膜14を10nm堆積する。次にMOCV
D法によりバリア膜としてMOCVD−TiN(チタン
ナイトライド)膜10を10nm堆積する。次にイオン化ス
パッタ法等により(111)配向したAl膜15を10nm
堆積する。次にスパッタ法でCu膜16を300nm 堆積す
る。First, as shown in FIG. 6A, (11) is formed on the first insulating film 1 on the semiconductor substrate by ionization sputtering or the like.
1) Deposit an oriented Al film 14 to a thickness of 10 nm. Next, MOCV
A 10 nm MOCVD-TiN (titanium nitride) film 10 is deposited as a barrier film by the D method. Next, the (111) -oriented Al film 15 is formed by ion
accumulate. Next, a Cu film 16 is deposited to a thickness of 300 nm by sputtering.
【0058】次に図6(b) のように、レジスト17で配
線パターンを形成し、図6(c) のように、ドライエッチ
ング法によりAl膜14、MOCVD−TiN膜10、
Al膜15、Cu膜16をエッチングし配線を形成す
る。最後に図6(d) のように、シリコン窒化膜18、第
2の絶縁膜5で配線のまわりを囲む。Next, as shown in FIG. 6B, a wiring pattern is formed with a resist 17, and as shown in FIG. 6C, the Al film 14, the MOCVD-TiN film 10,
The Al film 15 and the Cu film 16 are etched to form wiring. Finally, as shown in FIG. 6D, the silicon nitride film 18 and the second insulating film 5 surround the wiring.
【0059】本実施の形態では、第3の実施の形態同
様、MOCVD−TiN膜10上に(111)配向した
Al膜15を形成し、その上に直接Cuを堆積している
ため、Cu(111)配向性を向上し、Cu配線のエレ
クトロマイグレーション特性を向上させることができ
る。また、本実施の形態においても第3の実施の形態同
様、Al膜14を省略してもよい。In this embodiment, as in the third embodiment, an (111) -oriented Al film 15 is formed on a MOCVD-TiN film 10 and Cu is directly deposited on the Al film 15. 111) The orientation can be improved, and the electromigration characteristics of the Cu wiring can be improved. Also, in the present embodiment, similarly to the third embodiment, the Al film 14 may be omitted.
【0060】なお、上記第4〜第6の実施の形態におい
て、Cu膜16は純Cuを用いたが、他のCu合金を成
膜してもよい。また、第1の絶縁膜1は、塗布膜やSi
O2膜やCを含む誘電率の低いCVD膜を用いてもよ
い。In the fourth to sixth embodiments, the Cu film 16 is made of pure Cu, but another Cu alloy may be formed. The first insulating film 1 is formed of a coating film or Si
An O 2 film or a CVD film containing C and having a low dielectric constant may be used.
【0061】以上の第1〜第6の実施の形態において、
バリア膜としてMOCVD−TiN膜10を用いたが、
アモルファスもしくは微結晶をふくむ高融点金属の化合
物であれば、スパッタ法もしくはCVD法により堆積し
たタンタルナイトライド膜やタングステンナイトライド
膜を用いてもよいし、SiH4 ガスを加えたMOCVD
法、もしくはチタンシリコンまたはタンタルシリコンタ
ーゲットを用いたAr+N2 中での反応性スパッタによ
るチタンシリコンナイトライド膜、タンタルシリコンナ
イトライド膜等を用いてもよい。In the first to sixth embodiments,
Although the MOCVD-TiN film 10 was used as the barrier film,
A tantalum nitride film or a tungsten nitride film deposited by a sputtering method or a CVD method may be used as long as it is a compound of a high melting point metal including amorphous or microcrystals, or MOCVD with SiH 4 gas added.
Alternatively, a titanium silicon nitride film, a tantalum silicon nitride film, or the like may be used by reactive sputtering in Ar + N 2 using a titanium silicon or tantalum silicon target.
【0062】また、第1〜第6の実施の形態において、
Al膜14,15として純Al膜を用いたが、fcc 結晶
の(111)面に優先配向する限り不純物を含むAl膜
でもよい。さらには、(111)配向したAl膜14,
15の代わりに、スパッタ法等によって(111)配向
したTiN膜または(002)配向したTa膜を形成し
ても同様の効果が得られる。In the first to sixth embodiments,
Although pure Al films are used as the Al films 14 and 15, Al films containing impurities may be used as long as they are preferentially oriented on the (111) plane of the fcc crystal. Further, the (111) -oriented Al film 14,
Similar effects can be obtained by forming a (111) -oriented TiN film or a (002) -oriented Ta film by sputtering or the like instead of 15.
【0063】また、図1,図2,図4,図5等で示され
た第1,第2,第4,第5の実施の形態において、MO
CVD−TiN膜10を設けない場合でも、Cu膜13
または16の下に、(111)配向したAl膜14を設
けることで、Cu膜13または16の(111)配向性
を高め、Cu配線のエレクトロマイグレーション特性を
向上させることができる。この場合、バリア膜のMOC
VD−TiN膜10がないため、Cuの拡散に対するバ
リア性の点で劣るが、Al膜14によりある程度のバリ
ア性が得られる。Also, in the first, second, fourth, and fifth embodiments shown in FIGS.
Even when the CVD-TiN film 10 is not provided, the Cu film 13
By providing the (111) -oriented Al film 14 under the or 16, the (111) orientation of the Cu film 13 or 16 can be enhanced, and the electromigration characteristics of the Cu wiring can be improved. In this case, the MOC of the barrier film
Since the VD-TiN film 10 is not provided, the barrier property against Cu diffusion is inferior, but the Al film 14 provides a certain degree of barrier property.
【0064】[0064]
【発明の効果】本発明の請求項1,請求項5に記載の発
明によれば、Cu配線の一部としてCu膜の下に(11
1)配向したAl膜を設けることで、Cu膜の(11
1)配向性を高めることができる。According to the first and fifth aspects of the present invention, (11)
1) By providing an oriented Al film, (11)
1) The orientation can be improved.
【0065】本発明の請求項2,請求項10に記載の発
明によれば、Cu埋め込み配線の一部としてアモルファ
スもしくは微結晶を含む状態のバリア膜の下に(11
1)配向したAl膜を設けることで、バリア膜中にCu
(111)面と整合しやすい結晶性を誘起することで、
上部のCu膜の(111)配向性を高めることができ
る。According to the second and tenth aspects of the present invention, (11) is formed under the barrier film containing amorphous or microcrystal as a part of the Cu embedded wiring.
1) By providing an oriented Al film, Cu
By inducing crystallinity that easily matches the (111) plane,
The (111) orientation of the upper Cu film can be increased.
【0066】本発明の請求項3,請求項12に記載の発
明によれば、Cu埋め込み配線の一部としてアモルファ
スもしくは微結晶を含む状態のバリア膜とCu膜の間に
(111)配向したAl膜を設けることで、バリア膜の
結晶性を変化させずに、Cu膜の(111)配向性を高
めることができる。バリア膜はアモルファスなほどバリ
ア性が高いので、この構造ではバリア性を損なわずにC
u膜の(111)配向性を高めることができるという利
点がある。According to the third and twelfth aspects of the present invention, the (111) -oriented Al between the barrier film and the Cu film containing amorphous or microcrystal as a part of the Cu embedded wiring. By providing the film, the (111) orientation of the Cu film can be increased without changing the crystallinity of the barrier film. Since the barrier film is more amorphous as it has a higher barrier property, this structure does not impair the barrier property.
There is an advantage that the (111) orientation of the u film can be increased.
【0067】本発明の請求項4,請求項13に記載の発
明によれば、埋め込み配線内の(111)配向したAl
膜を、配線用凹部の底面での膜厚が厚くかつ(111)
配向し、配線用凹部の側面での膜厚が薄くかつ必ずしも
(111)配向していないようにすることにより、配線
用凹部の側面に垂直に<111>軸が向くようなCu膜
の成長が抑制され、配線用凹部の底面に垂直に<111
>軸が向くような成長をさせることにより、溝配線にお
けるCu(111)配向性を向上させることができる。According to the fourth and thirteenth aspects of the present invention, the (111) -oriented Al in the buried wiring is provided.
The film is formed so that the film thickness at the bottom surface of the wiring recess is large and (111)
By aligning and making the film thickness on the side surfaces of the wiring recesses small and not necessarily (111) oriented, the growth of the Cu film in which the <111> axis is perpendicular to the side surfaces of the wiring recesses can be prevented. Suppressed and perpendicular to the bottom of the wiring recess <111
> By growing such that the axis is oriented, the Cu (111) orientation in the trench wiring can be improved.
【0068】本発明の請求項6,請求項14に記載の発
明によれば、配線パターンをエッチングで形成する場合
であり、アモルファスもしくは微結晶を含む状態のバリ
ア膜の下に(111)配向したAl膜を設けることで、
請求項2,請求項10同様、Cu膜の(111)配向性
を高めることができる。According to the sixth and fourteenth aspects of the present invention, the wiring pattern is formed by etching, and the (111) orientation is formed under the barrier film containing amorphous or microcrystal. By providing an Al film,
As in the second and tenth aspects, the (111) orientation of the Cu film can be improved.
【0069】本発明の請求項11,請求項15に記載の
発明によれば、(111)配向したAl膜を形成する工
程の前に層間絶縁膜表面をArプラズマにさらすことに
より、その上に形成されるAl膜の(111)配向性を
高めることができ、その上層のCu膜の(111)配向
性を高めることができる。According to the eleventh and fifteenth aspects of the present invention, the surface of the interlayer insulating film is exposed to Ar plasma before the step of forming the (111) -oriented Al film, whereby The (111) orientation of the Al film to be formed can be increased, and the (111) orientation of the upper Cu film can be enhanced.
【0070】本発明の請求項7,請求項16に記載の発
明によれば、配線パターンをエッチングで形成する場合
であり、アモルファスもしくは微結晶を含む状態のバリ
ア膜とCu膜の間に(111)配向したAl膜を設ける
ことで、請求項3,請求項12同様、バリア性を損なわ
ずにCu膜の(111)配向性を高めることができる。According to the seventh and sixteenth aspects of the present invention, the wiring pattern is formed by etching, wherein (111) is formed between the barrier film containing amorphous or microcrystal and the Cu film. By providing the oriented Al film, the (111) orientation of the Cu film can be increased without impairing the barrier property, as in the third and twelfth aspects.
【0071】また、本発明の請求項8,請求項17に記
載の発明のように、アモルファスもしくは微結晶を含む
状態のバリア膜として、MOCVD法によって堆積され
たチタンナイトライド膜、またはスパッタ法もしくはC
VD法によって堆積されたタンタルナイトライド膜もし
くはタングステンナイトライド膜を用いることができ
る。Further, as in the eighth and seventeenth aspects of the present invention, a titanium nitride film deposited by MOCVD, a sputtering method or a titanium nitride film deposited by MOCVD is used as the barrier film containing amorphous or microcrystals. C
A tantalum nitride film or a tungsten nitride film deposited by the VD method can be used.
【0072】また、本発明の請求項9,請求項18に記
載の発明のように、(111)配向したAl膜の代わり
に、(111)配向したTiN膜または(002)配向
したTa膜を用いても同様の効果が得られる。Also, as in the ninth and eighteenth aspects of the present invention, instead of the (111) -oriented Al film, a (111) -oriented TiN film or a (002) -oriented Ta film is used. The same effect can be obtained by using.
【0073】以上のように本発明によれば、Cu膜の
(111)配向性を向上させることによりエレクトロマ
イグレーション耐性の高いCu配線を形成することがで
きる。As described above, according to the present invention, a Cu wiring having high electromigration resistance can be formed by improving the (111) orientation of the Cu film.
【図1】本発明の第1の実施の形態における半導体装置
の製造方法を示す工程断面図である。FIG. 1 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第2の実施の形態における半導体装置
の製造方法を示す工程断面図である。FIG. 2 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第3の実施の形態における半導体装置
の製造方法を示す工程断面図である。FIG. 3 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第4の実施の形態における半導体装置
の製造方法を示す工程断面図である。FIG. 4 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第5の実施の形態における半導体装置
の製造方法を示す工程断面図である。FIG. 5 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第6の実施の形態における半導体装置
の製造方法を示す工程断面図である。FIG. 6 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device in the sixth embodiment of the present invention.
【図7】各金属膜の配向面と面内原子間隔を示す図であ
る。FIG. 7 is a diagram showing an orientation plane and an in-plane atomic spacing of each metal film.
【図8】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図
である。FIG. 8 is a process sectional view showing a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
1 第1の絶縁膜 2 バリアメタル 3 第1のCu膜 4 第1のシリコン窒化膜 5 第2の絶縁膜 6 第2のシリコン窒化膜 7 第3の絶縁膜 8 コンタクトホール 9 配線溝 10 MOCVD−TiN膜 11 Cuシード層 12 Cuメッキ膜 13 第2のCu膜 14 Al膜 15 Al膜 16 Cu膜 17 レジスト 18 シリコン窒化膜 Reference Signs List 1 1st insulating film 2 barrier metal 3 1st Cu film 4 1st silicon nitride film 5 2nd insulating film 6 2nd silicon nitride film 7 3rd insulating film 8 contact hole 9 wiring groove 10 MOCVD- TiN film 11 Cu seed layer 12 Cu plating film 13 Second Cu film 14 Al film 15 Al film 16 Cu film 17 Resist 18 Silicon nitride film
フロントページの続き Fターム(参考) 5F033 HH08 HH11 HH33 JJ01 JJ08 JJ11 JJ33 KK11 LL07 MM02 MM08 MM12 MM13 NN06 NN07 PP09 PP11 PP15 PP18 PP20 PP27 PP28 PP33 QQ37 QQ48 QQ91 RR04 RR06 RR12 SS21 TT02 XX05 Continued on the front page F-term (reference)
Claims (18)
を備えた半導体装置であって、前記埋め込み配線は、前
記層間絶縁膜の配線用凹部に形成され(111)配向し
たAl膜と、前記Al膜上に形成されたCu膜とを有す
ることを特徴とする半導体装置。1. A semiconductor device having an embedded wiring embedded in an interlayer insulating film, wherein the embedded wiring is formed in a wiring recess of the interlayer insulating film, and has a (111) -oriented Al film; And a Cu film formed on the film.
を備えた半導体装置であって、前記埋め込み配線は、前
記層間絶縁膜の配線用凹部に形成され(111)配向し
たAl膜と、前記Al膜上に形成されアモルファスもし
くは微結晶を含む状態のバリア膜と、前記バリア膜上に
形成されたCu膜とを有することを特徴とする半導体装
置。2. A semiconductor device comprising an embedded wiring embedded in an interlayer insulating film, wherein the embedded wiring is formed in a wiring recess of the interlayer insulating film, and has a (111) -oriented Al film; A semiconductor device comprising: a barrier film formed on a film and including an amorphous or microcrystalline state; and a Cu film formed on the barrier film.
を備えた半導体装置であって、前記埋め込み配線は、前
記層間絶縁膜の配線用凹部に形成されアモルファスもし
くは微結晶を含む状態のバリア膜と、前記バリア膜上に
形成され(111)配向したAl膜と、前記Al膜上に
形成されたCu膜とを有することを特徴とする半導体装
置。3. A semiconductor device provided with a buried wiring buried in an interlayer insulating film, wherein the buried wiring is formed in a wiring recess of the interlayer insulating film and includes a barrier film containing amorphous or microcrystal. And a (111) -oriented Al film formed on the barrier film, and a Cu film formed on the Al film.
部の底面での膜厚が厚くかつ(111)配向し、前記配
線用凹部の側面での膜厚が薄くかつ必ずしも(111)
配向していないことを特徴とする請求項2または3に記
載の半導体装置。4. The (111) -oriented Al film has a large thickness on the bottom surface of the wiring recess and is (111) oriented, and a thin film on the side surface of the wiring recess and is not necessarily (111) -oriented.
The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device is not oriented.
えた半導体装置であって、前記Cu配線は、前記層間絶
縁膜上に形成され(111)配向したAl膜と、前記A
l膜上に形成されたCu膜とを有することを特徴とする
半導体装置。5. A semiconductor device comprising a Cu wiring formed on an interlayer insulating film, wherein the Cu wiring is a (111) -oriented Al film formed on the interlayer insulating film;
and a Cu film formed on the I film.
えた半導体装置であって、前記Cu配線は、前記層間絶
縁膜上に形成され(111)配向したAl膜と、前記A
l膜上に形成されアモルファスもしくは微結晶を含む状
態のバリア膜と、前記バリア膜上に形成されたCu膜と
を有することを特徴とする半導体装置。6. A semiconductor device comprising a Cu wiring formed on an interlayer insulating film, wherein the Cu wiring is a (111) -oriented Al film formed on the interlayer insulating film;
1. A semiconductor device comprising: a barrier film formed on an L film and containing amorphous or microcrystals; and a Cu film formed on the barrier film.
えた半導体装置であって、前記Cu配線は、前記層間絶
縁膜上に形成されアモルファスもしくは微結晶を含む状
態のバリア膜と、前記バリア膜上に形成され(111)
配向したAl膜と、前記Al膜上に形成されたCu膜と
を有することを特徴とする半導体装置。7. A semiconductor device provided with a Cu wiring formed on an interlayer insulating film, wherein the Cu wiring is formed on the interlayer insulating film, and includes a barrier film in an amorphous or microcrystalline state. (111) formed on the barrier film
A semiconductor device comprising: an oriented Al film; and a Cu film formed on the Al film.
のバリア膜が、MOCVD法によって堆積されたチタン
ナイトライド膜、またはスパッタ法もしくはCVD法に
よって堆積されたタンタルナイトライド膜もしくはタン
グステンナイトライド膜であることを特徴とする請求項
2,3,4,6または7に記載の半導体装置。8. A barrier film containing amorphous or microcrystals is a titanium nitride film deposited by MOCVD, or a tantalum nitride film or tungsten nitride film deposited by sputtering or CVD. 8. The semiconductor device according to claim 2, wherein:
(111)配向したTiN膜または(002)配向した
Ta膜を設けたことを特徴とする請求項2,3,4,
6,7または8に記載の半導体装置。9. Instead of the (111) -oriented Al film,
5. A (111) oriented TiN film or a (002) oriented Ta film is provided.
9. The semiconductor device according to 6, 7, or 8.
に配線用凹部を形成する工程と、前記層間絶縁膜上およ
び配線用凹部に(111)配向したAl膜を形成する工
程と、前記Al膜上にアモルファスもしくは微結晶を含
む状態のバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜上に
Cu膜を前記配線用凹部が埋め込まれるように形成する
工程と、前記配線用凹部内以外の前記Cu膜,バリア膜
およびAl膜を除去することにより埋め込み配線を形成
する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。10. A step of forming a wiring recess in an interlayer insulating film deposited on a semiconductor substrate; a step of forming an (111) -oriented Al film on the interlayer insulating film and in the wiring recess; A step of forming a barrier film containing amorphous or microcrystal on the film; a step of forming a Cu film on the barrier film so that the wiring recesses are buried; and a step of forming the Cu film other than in the wiring recesses. Forming a buried interconnect by removing the film, the barrier film, and the Al film.
(111)配向したAl膜を形成する工程の前に、層間
絶縁膜表面をArプラズマにさらす工程を有することを
特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。11. After the step of forming a wiring recess,
11. The method according to claim 10, further comprising a step of exposing the surface of the interlayer insulating film to Ar plasma before the step of forming the (111) -oriented Al film.
に配線用凹部を形成する工程と、前記層間絶縁膜上およ
び配線用凹部にアモルファスもしくは微結晶を含む状態
のバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜上に(11
1)配向したAl膜を形成する工程と、前記Al膜上に
Cu膜を前記配線用凹部が埋め込まれるように形成する
工程と、前記配線用凹部内以外の前記Cu膜,Al膜お
よびバリア膜を除去することにより埋め込み配線を形成
する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。12. A step of forming a recess for wiring in an interlayer insulating film deposited on a semiconductor substrate, and a step of forming a barrier film containing amorphous or microcrystal on the interlayer insulating film and in the recess for wiring. , On the barrier film (11
1) a step of forming an oriented Al film, a step of forming a Cu film on the Al film so that the wiring recesses are embedded, and the Cu film, the Al film, and the barrier film other than in the wiring recesses Forming a buried wiring by removing the semiconductor device.
工程は、前記Al膜を、配線用凹部の底面での膜厚が厚
くかつ(111)配向し、前記配線用凹部の側面での膜
厚が薄くかつ必ずしも(111)配向していないように
形成することを特徴とする請求項10,11または12
に記載の半導体装置の製造方法。13. The step of forming a (111) -oriented Al film, wherein the Al film has a large thickness on the bottom surface of the wiring recess and is (111) -oriented, and a film on a side surface of the wiring recess. 13. The film according to claim 10, wherein the film is formed so as to be thin and not necessarily oriented in (111) orientation.
13. The method for manufacturing a semiconductor device according to item 5.
上に(111)配向したAl膜を形成する工程と、前記
Al膜上にアモルファスもしくは微結晶を含む状態のバ
リア膜を形成する工程と、前記バリア膜上にCu膜を形
成する工程と、前記Cu膜,バリア膜およびAl膜を所
望の形状にエッチングすることにより配線を形成する工
程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。14. A step of forming an (111) -oriented Al film on an interlayer insulating film deposited on a semiconductor substrate, and a step of forming a barrier film containing amorphous or microcrystal on the Al film. Forming a Cu film on the barrier film, and forming a wiring by etching the Cu film, the barrier film and the Al film into desired shapes. .
工程の前に、層間絶縁膜表面をArプラズマにさらす工
程を有することを特徴とする請求項14に記載の半導体
装置の製造方法。15. The method according to claim 14, further comprising a step of exposing the surface of the interlayer insulating film to Ar plasma before the step of forming the (111) -oriented Al film.
上にアモルファスもしくは微結晶を含む状態のバリア膜
を形成する工程と、前記バリア膜上に(111)配向し
たAl膜を形成する工程と、前記Al膜上にCu膜を形
成する工程と、前記Cu膜,Al膜およびバリア膜を所
望の形状にエッチングすることにより配線を形成する工
程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。16. A step of forming a barrier film containing amorphous or microcrystal on an interlayer insulating film deposited on a semiconductor substrate, and a step of forming an (111) -oriented Al film on the barrier film. Forming a Cu film on the Al film, and forming a wiring by etching the Cu film, the Al film and the barrier film into desired shapes. .
態のバリア膜が、MOCVD法によって堆積されたチタ
ンナイトライド膜、またはスパッタ法もしくはCVD法
によって堆積されたタンタルナイトライド膜もしくはタ
ングステンナイトライド膜であることを特徴とする請求
項10,11,12,13,14,15または16に記
載の半導体装置の製造方法。17. The barrier film containing amorphous or microcrystals is a titanium nitride film deposited by MOCVD, or a tantalum nitride film or tungsten nitride film deposited by sputtering or CVD. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein:
に、(111)配向したTiN膜または(002)配向
したTa膜を形成することを特徴とする請求項10,1
1,12,13,14,15,16または17に記載の
半導体装置の製造方法。18. A (111) oriented TiN film or a (002) oriented Ta film is formed instead of the (111) oriented Al film.
18. The method for manufacturing a semiconductor device according to 1, 12, 13, 14, 15, 16, or 17.
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Cited By (2)
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