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JP4242136B2 - Method for forming wiring structure - Google Patents

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JP4242136B2
JP4242136B2 JP2002318674A JP2002318674A JP4242136B2 JP 4242136 B2 JP4242136 B2 JP 4242136B2 JP 2002318674 A JP2002318674 A JP 2002318674A JP 2002318674 A JP2002318674 A JP 2002318674A JP 4242136 B2 JP4242136 B2 JP 4242136B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
主に半導体装置に用いられる配線構造の形成方法に関し、特に配線が少なくとも銅(Cu)を含有する材料からなる配線構造の形成時に適用される。
【0002】
【従来の技術】
近年では、半導体素子の高集積化とチップサイズの縮小化に伴い、配線の微細化及び多層配線化が加速的に進められている。こうした多層配線を有するロジックデバイスにおいては、配線遅延がデバイス信号遅延の支配的要因の1つになりつつある。デバイスの信号遅延は配線抵抗値と配線容量の積に比例しており、従って配線遅延の改善のためには、配線抵抗値や配線容量を軽減することが重要である。
【0003】
そこで、配線容量を低減するため、Cu配線を形成することが検討されている。Cuは加工が困難であり、従ってこれを配線に適用する場合の好適な構造として、層間絶縁膜に形成した接続孔(ビア孔)及び配線溝を、Cuの拡散防止及び密着性の向上のために形成する下地膜(バリアメタル膜)を介してCuで充填してなる、いわゆるダマシン構造が注目されている。
【0004】
この場合、バリアメタル膜を形成するには、その高被覆性を確保すべく、自己スパッタ法又はIMPなどに代表されるイオン化スパッタ法が用いられる。
【0005】
【特許文献1】
特許第3310608号明細書
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
近時の要請である半導体装置の微細化・高集積化に対応するため、Cu配線構造にも更なる微細化が要求されており、それに伴いビア孔を高アスペクト化する必要がある。しかしながら、イオン化スパッタ法を用いても、ビア孔の高アスペクト化に対応したバリアメタル膜の十分な被覆性(カバレッジ)を得ることは困難である。そのため、ビア孔及び配線溝からなるパターンに対して、その側壁並びにビア孔底部に十分な膜厚のメタル成長を行った場合、その肩部に余分なメタルが付着する。そして、メッキ法により当該パターン内をCuで埋め込む際に、メッキ液のパターン内への進入を妨げ、埋め込み不良を発生させ、歩留りの低下並びに配線信頼性を著しく劣化させることになる。
【0007】
また、スパッタチャンバー内に装着されたステージ側にRFバイアスを印加してメタル成膜する(バイアス・スパッタ法)ことにより、バリアメタル膜の被覆性は向上されるが、配線溝及びビア孔の肩部をエッチングしてしまい、特に狭ピッチ配線において、隣接する配線間でショートを引き起こす懸念がある。
【0008】
具体的に、バイアス・スパッタ法は、スパッタチャンバー内に装着されたステージ側にRFバイアスを印加して、スパッタ粒子を引き込みながら成膜する手法である。これにより例えばビア孔及び配線溝内に入り込むスパッタ粒子を増加させる効果とともに、ビア孔及び配線溝の側壁に付着したスパッタ粒子を再度飛散させる効果(エッチング効果)を奏し、このエッチング効果を有効に利用すれば、ビア孔の底部付近の側壁のような本来 スパッタ粒子が付着し難くカバレッジが不足する箇所にも、優れたカバレッジで下地膜を成膜することができる。
【0009】
バリアメタル膜を形成する際のスパッタとしては、RFバイアスを印加しないノンバイアス・スパッタ法またはRFバイアスを印加するバイアス・スパッタ法によるスパッタ(以下、1ステップ・スパッタと記す。)と、ノンバイアスの1ステップ・スパッタに続いて、RFバイアスを印加するバイアス・スパッタ法を組み合わせて行うスパッタ(以下、2ステップ・スパッタと記す。)がある。
【0010】
ところがこのとき、以下で説明するような不都合が生じる。図10に1ステップ・スパッタの場合を、図11に2ステップ・スパッタの場合をそれぞれ示す。図10,図11では、下層配線101を覆う層間絶縁膜102に形成された配線溝104及びビア孔103の内壁に当該スパッタ法によりバリアメタル膜105を形成した後、メッキ法によりCu材料106を埋め込む。
【0011】
ノンバイアスの1ステップ・スパッタでは、図10(a)に示すように、バリアメタル膜105は特にビア孔103の側壁部でその膜厚が薄くなり、カバレッジの低下を来す。これにより、Cu材料106を充填した際に、カバレッジ不足に起因して空隙(ボイド)107が発生する。
【0012】
また、RFバイアスを印加する1ステップ・スパッタでは、図10(b)に示すように、ビア孔103の側壁部ではカバレッジが確保されるものの、ビア孔103の底部のカバレッジが低下するとともに、ビア孔103の側壁上部(肩部)でオーバーハングが強くなり、Cu材料106を充填した際に、前記底部または前記肩部に空隙(ボイド)108が発生する。
【0013】
他方、2ステップ・スパッタでは、前記底部のカバレッジを確保しつつ前記肩部のオーバーハングを増加させない成膜が可能となる。しかしながら、2ステップ・スパッタでは、面内分布の悪化や、バリアメタル膜の前記底部における膜厚のバラツキにより電気特性のバラツキが生じやすい。更に、下層配線101とビア孔103との接続部位において、バリアメタル膜105が部分的に残った状態になると、配線ストレスの不均一化によるボイド発生にを引き起こす危険性がある 。また、下層配線101とビア孔103のCu材料106がバリアメタル膜105を介さずにに接合する場合、接合部位では両者の膜質の違いによる結晶欠陥が生じ、EM(エレクトロ・マイグレーション)耐性を損なうおそれもある。
【0014】
かかる観点から、配線信頼性を確保するためには前記底部におけるバリアメタル膜105の膜厚がある程度確保されなければならず、かつ高アスペクト比のビア孔においてボイドの発生しないCu埋め込みを達成しようとすると、1ステップ・スパッタや2ステップ・スパッタではプロセス・ウィンドウが狭すぎて プロセス適用が困難である。
【0015】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ビア孔の高アスペクト化に対応したバリアメタル膜の十分な被覆性(カバレッジ)を確実に得ることを可能とし、半導体装置の更なる微細化・高集積化に対応しつつも配線信頼性及び初期歩留りの向上を実現する配線構造の形成方法を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線構造の形成方法は、基板上方の絶縁膜内に配設された接続孔に、配線材料及び前記配線材料の拡散を防止するバリアメタル膜を有する配線構造を形成する方法であって、前記バリアメタル膜をスパッタ法により形成するに際して、以下の2ステップ・スパッタを実行する。
バイアス無印加の条件で行う第1のスパッタ工程と、前記第1のスパッタ工程の後、前記バリアメタル膜の材料を堆積させる第1の状態と、堆積した前記バリアメタル膜の材料をエッチングする第2の状態とが混在し、前記接続孔の底部において前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となるような、バイアス印加で行われる3秒間〜12秒間の第2のスパッタ工程とを含む。
【0017】
本発明の配線構造の形成方法は、基板上方の絶縁膜内に配設された接続孔に、配線材料及び前記配線材料の拡散を防止するバリアメタル膜を有する配線構造を形成する方法であって、前記バリアメタル膜をスパッタ法により形成するに際して、以下の3ステップ・スパッタを実行する。
第1のスパッタ工程と、前記第1のスパッタ工程の後、前記バリアメタル膜の材料を堆積させる第1の状態と、堆積した前記バリアメタル膜の材料をエッチングする第2の状態とが混在し、前記接続孔の底部において前記第2の状態が前記第1の状態よりも強度となる条件で行う第2のスパッタ工程と、前記第2のスパッタ工程の後に行う第3のスパッタ工程とを含み、前記第1及び第3のスパッタ工程は、前記第1及び第3のスパッタ工程をバイアス無印加の条件で行うか、前記第1のスパッタ工程をバイアス無印加の条件、前記第3のスパッタ工程を前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となる条件でそれぞれ行うか、前記第1のスパッタ工程を前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となる条件、前記第3のスパッタ工程をバイアス無印加の条件でそれぞれ行うか、前記第1及び第3のスパッタ工程を前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となる条件でそれぞれ行うか、のいずれかである。
【0018】
【発明の実施の形態】
−本発明の基本骨子−
初めに、本発明の作用原理に基づく基本骨子について説明する。
【0019】
(基本原理1)
本発明者は、本発明の第1の手法として、上述した2ステップ・スパッタのメリットを生かしつつ、ビア孔及び配線溝の全体にわたってカバレッジに優れたバリアメタル膜の成膜技術を模索した。
【0020】
バイアス・スパッタ法では、バイアス・パワーに応じて、スパッタ材料を堆積させる第1の状態と堆積されたスパッタ材料をエッチングする第2の状態とが存する。一般的に、RFバイアス(例えばバイアス密度(W/cm2))が低い場合、第2の状態よりも第1の状態の方が強度により、エッチング・レートよりも堆積レートが高くなる。他方、RFバイアスをこれよりも高くすれば、第2の状態の相対的強度が増加し、堆積レートよりもエッチング・レートが高くなる。
【0021】
図1に本発明の2ステップ・スパッタの概略構成を示す。ここでは、下層配線101を覆う層間絶縁膜102に形成された配線溝104及びビア孔103の内壁に当該スパッタ法によりバリアメタル膜105を形成した後、メッキ法によりCu材料106を埋め込む。なお、バリアメタル膜105の材料としては、高融点金属、高融点金属の窒素化合物、及び珪素化合物のうちから選ばれた少なくとも高1種を含み、Cu材料の拡散防止機能及び密着機能を有するものであり、ここでは融点金属のTaとする。
【0022】
本発明では、バイアス・スパッタにおける上記の性質に着目し、先ず、配線溝104及びビア孔103の内壁が露出した状態(図1(a))に対して、低いRFバイアス、望ましくはノンバイアスで1回目のスパッタを行いメタル材料を堆積した後(図1(b))、第1の状態の相対的強度を第2の状態よりも高く、即ちエッチング・レートよりも堆積レートを高く設定して2回目のスパッタを行う(図1(c))。
【0023】
ここで、1回目のスパッタでは堆積モードである第1の状態のみ、又はこれが支配的であるため、バリアメタル膜105のビア孔103の底部におけるカバレッジが確保される。そして、2回目のスパッタでは堆積モードである第1の状態とエッチングモードである第2の状態が混在するものの、第1の状態が優位であるため、ビア孔103の底部ではバリアメタル膜105のエッチングによる欠損を抑止してカバレッジ保持を図るとともに、第2の状態の存在によりビア孔103の肩部のオーバーハングを抑えつつも、バリアメタル膜105の側壁部におけるカバレッジを確保する。従って、配線溝104のみならずビア孔103の内壁で全体にわたってバリアメタル膜105の優れたカバレッジが得られ、ボイド等を発生させることなくCu材料106の良好な埋め込みが実現する(図1(d))。
【0024】
本発明者は、2回目のスパッタで、堆積レート>エッチング・レートを実現する具体的条件について考察した。第1,第2の状態の相対的優劣を決定するパラメータはRFバイアスの高低のみではない。例えば、RFバイアスをある一定値としてバイアス・スパッタを実行した場合、第1,第2の状態の強弱は一定ではなく、ある時刻を過ぎると第2の状態が第1の状態よりも強くなることが見出された。
【0025】
そこで、1ステップ・スパッタ(ノンバイアス)、及び従来の2ステップ・スパッタ(ノンバイアス+350W、バイアス印加時間15秒のRFバイアス)との比較に基づき、本発明の2ステップ・スパッタ(ノンバイアス+350W、バイアス印加時間10秒のRFバイアス)におけるチェーン抵抗の初期歩留りについて調べた。
【0026】
実験結果を図2に示す。このように、1ステップ・スパッタや従来の2ステップ・スパッタに比べて、本発明の2ステップ・スパッタでは、2回目のスパッタでバイアス印加時間を短時間(従来の15秒に比して短時間である3秒〜12秒、ここでは10秒)とすることにより、十分な初期歩留りが得られることが判る。
【0027】
更に、1ステップ・スパッタ(ノンバイアス)、及び従来の2ステップ・スパッタ(ノンバイアス+350W、バイアス印加時間15秒のRFバイアス)との比較に基づき、本発明の2ステップ・スパッタ(ノンバイアス+350W、バイアス印加時間10秒のRFバイアス)における配線信頼性について調べた。
【0028】
実験結果を図3に示す。ここでは、200℃の条件で高温放置試験を行った。このように、1ステップ・スパッタや従来の2ステップ・スパッタでは不良発生が見られるのに対して、本発明の2ステップ・スパッタでは不良は全く認められなかった。
【0029】
更に、従来の2ステップ・スパッタ(ノンバイアス+350W、バイアス印加時間15秒のRFバイアス)との比較に基づき、本発明の2ステップ・スパッタ(ノンバイアス+350W、バイアス印加時間10秒のRFバイアス)を実行した場合のビア孔内壁の肩部A,側壁部B,底部Cにおけるバリアメタル膜の各膜厚について調べた。
【0030】
実験結果を図4に示す。従来の2ステップ・スパッタでは、2回目のスパッタにより底部Cにえぐれが生じて成膜不良(バリアメタル膜の部分的欠如)となる。これに対して、本発明の2ステップ・スパッタでは、2回目のスパッタにより肩部Aに若干のオーバーハングが見られるものの、底部Cにえぐれが生じることなく、十分な膜厚(2〜3(nm)程度)が確保されている。
【0031】
以上説明したように、本発明の第1の手法によれば、2ステップ・スパッタにより、配線溝のみならずビア孔の内壁に被覆性に優れたバリアメタル膜を形成することが可能となり、配線の信頼性並びに初期歩留りを向上させることができる。
【0032】
(基本原理2)
本発明者は、本発明の第2の手法として、上述した2ステップ・スパッタに加え、更に3回目のスパッタを行うことにより、ビア孔及び配線溝の全体にわたってカバレッジに優れたバリアメタル膜が得られることに想到した。
【0033】
図5に本発明の3ステップ・スパッタの概略構成を示す。ここでは、図1と同様に、下層配線101を覆う層間絶縁膜102に形成された配線溝104及びビア孔103の内壁に当該スパッタ法によりバリアメタル膜105を形成した後、メッキ法によりCu材料106を埋め込む。
【0034】
バリアメタル膜105の材料としては、Ta,Ti,W,Zrから選ばれた少なくとも1種、Ta,Ti,W,Zrから選ばれた少なくとも1種の窒化物、又はTa,Ti,W,Zrから選ばれた少なくとも1種の化合物を材料として含むものが良い。具体的に、図6に示すように、3回のスパッタにおけるTa,TaNの組み合わせ(図6(a))、Ti,TiNの組み合わせ(図6(b))、W,WNの組み合わせ(図6(c))、Zr,ZrNの組み合わせ(図6(d))について調べた。以下、本例では、バリアメタル膜105の材料としてTaを用いた場合について述べる。
【0035】
本発明では、先ず、配線溝104及びビア孔103の内壁が露出した状態(図5(a))に対して、低いRFバイアスまたはノンバイアスで1回目のスパッタを行いメタル材料を堆積した後(図5(b))、堆積モードである第1の状態とエッチングモードである第2の状態が混在し、第2の状態が優位となる条件で、例えば1回目のスパッタよりも高いRFバイアスで2回目のスパッタを行いメタル材料を堆積する(図5(c))。このとき、図10,図11と同様に、ビア孔103の底部で成膜不良(メタル材料の部分的欠如)が生じた状態となる。そして、2回目よりも低いRFバイアスまたはノンバイアスで3回目のスパッタを行う(図5(d))。これにより、ビア孔103の肩部でオーバーハングを増加させることなくビア孔103の底部におけるバリアメタル膜105を厚く形成される。従って、配線溝104のみならずビア孔103の内壁で全体にわたってバリアメタル膜105の優れたカバレッジが得られ、ボイド等を発生させることなくCu材料106の良好な埋め込みが実現する(図5(e))。
【0036】
ここで、3回のスパッタにおけるRFバイアスの高低は、具体的には、一例として、ターゲット・パワーが10kWの場合、
▲1▼0.96(W/cm2)より小の場合では、エッチング・レート>堆積レート
▲2▼0.96(W/cm2)より大の場合では、堆積レート>エッチング・レート
となる。なお、両モードが切替わるバイアス・パワーは、スパッタのDCパワーに依存して変化する。
即ち、これを基準として、1,3回目の低いRFバイアスとしてはバイアス▲1▼を採用し、2回目の高いRFバイアスとしてはバイアス▲2▼を採用すれば良い。
【0037】
以上説明したように、本発明の第2の手法によれば、3ステップ・スパッタにより、ビア孔の肩部におけるオーバーハングを増加させることなく、ビア孔の底部におけるバリアメタル膜の膜厚を厚く確保することができる。従って、2回目のスパッタまでに生じたビア孔の底部におけるバリアメタル膜の膜厚バラツキを最終的には有効に補正することが可能となり、プロセス・マージンの拡大及び配線信頼性の向上を達成することが可能となる。
【0038】
−具体的な諸実施形態−
以下、上記した本発明の基本骨子を踏まえた具体的な諸実施形態について説明する。ここでは、本発明をダマシン法(ここではいわゆるデュアルダマシン法)によるCu配線の形成方法に適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、半導体装置として一般的なMOSトランジスタを例に採り、その配線構造の形成に本発明を適用する。
【0039】
(第1の実施形態)
図7は、本実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
この配線構造を形成するにあたり、シリコン半導体基板上にゲート電極、ソース/ドレインを備えたMOSトランジスタ構造(不図示)を形成する。そして、このMOSトランジスタ構造の例えばゲート電極と電気的に接続される配線構造に本発明が適用される。
【0040】
先ず、図7(a)に示すように、シリコン半導体基板(不図示)の上方に、いわゆるダマシン法により下層Cu配線1を形成する。
【0041】
続いて、下層Cu配線1とビア孔を介して電気的に接続される上層Cu配線を形成する。
具体的には、下層Cu配線1の表面を覆うようにエッチングストッパーとなるシリコンカーバイド膜2を膜厚数十(nm)程度に形成した後、層間絶縁膜として例えば有機SOD膜、ここではポリアリールエーテル系の低誘電率膜3を膜厚数百(nm)程度に塗布し、更にハードマスクとなるシリコンカーバイド膜4を膜厚数十(nm)程度に形成する。
【0042】
続いて、フォトリソグラフィー及びこれに続くエッチングにより、先ずシリコンカーバイド膜4に配線パターンとなる部分を形成し、ハードマスクとする。続いて、下層Cu配線1の表面の一部を露出させるように、低誘電率膜3にビア孔5を形成する。このとき、下層Cu配線1の表面の一部を完全には露出させることなく、下層Cu配線1上でシリコンカーバイド膜2を極薄に残し、言わば前記表面の一部をほぼ露出させた状態となるようにしても良い。
【0043】
そして、シリコンカーバイド膜4をハードマスクとして用いて低誘電率膜3をエッチングし、ハードマスクの配線パターンの形状に倣った配線溝6を形成する。ここで、前記エッチングは、CF系ガス、NH3系ガス、及びN2/H2系ガスを用いたプラズマエッチングとして行う。
【0044】
続いて、図7(b)に示すように、本発明の2ステップ・スパッタにより、配線溝6及びビア孔5の内壁を覆うバリアメタル膜を形成する。
なお、当該2ステップ・スパッタは2回のスパッタを同一チャンバー内で連続的に行う。スパッタチャンバーとしては、図8に示すように、自己スパッタ法又は自己スパッタ法を主としたチャンバーを用いる。このチャンバーでは、基板ステージ21には、半導体基板にRFバイアスを印加するためのステージバイアス電源が接続されており、基板ステージ21と対向するようにターゲット22が設けられ、このターゲット22には回転磁気アセンブリ23を介してターゲット電源24が接続されている。チャンバー内の側面にはシールド25が設けられ、チャンバー内にスパッタガス(ここではAr及びN2)を供給するためのガス供給ライン26及び排気ポート27が設けられている。
【0045】
具体的には、先ず工程▲1▼の1回目のスパッタ、ここではノンバイアス・スパッタとして、DCパワーを10(kW)〜15(kW)、放電圧力を5×10-2(Pa)程度、シールド25に対して正電位、例えば100(V)程度を印加し、Ar流量を5(sccm)〜50(sccm)として、Taターゲットを用いてスパッタする。
【0046】
次に、工程▲1▼と同一のチャンバー内で連続した工程▲2▼の2回目のスパッタ、ここではバイアス・スパッタを行う。この場合、堆積モードである第1の状態とエッチングモードである第2の状態が混在するものの、第1の状態が優位となる条件、具体的にはバイアスパワーを350W、バイアス印加時間を10秒とし、Ar流量を5(sccm)〜50(sccm)として、Taターゲットを用いてスパッタする。
以上の2ステップ・スパッタにより膜厚10(nm)〜35(nm)程度のバリアメタル膜7を形成する。
【0047】
続いて、図7(c)に示すように、バリアメタル膜7を覆うように、シード金属膜としてCu膜8をスパッタ法により膜厚40(nm)〜200(nm)程度に堆積形成する。スパッタの条件としては、ターゲットパワーを5(kW)〜30(kW)、RFバイアスを0.32(W/cm2)〜1.6(W/cm2)、Ar流量を5(sccm)〜50(sccm)とする。
この場合、Cu膜8もバリアメタル膜7と同様、本発明の2ステップ・スパッタにより形成するようにしても良い。
【0048】
続いて、図7(d)に示すように、Cu膜8を電極として、電解メッキ法により、硫酸銅浴で電流密度を7(A/cm2)〜30(A/cm2)として配線溝6内及びビア孔5内を埋め込む膜厚、ここでは500(nm)〜2000(nm)程度にCu膜9を形成する。
【0049】
そして、図7(e)に示すように、有機酸スラリーを用いてCMP法によりCu膜8,9及びバリアメタル膜7を研磨して、配線溝6内及びビア孔5内のみにCu膜8,9及びバリアメタル膜7を残し、上層Cu配線11を形成する。
【0050】
以上により、ビア孔5を介して下層Cu配線1と上層Cu配線11とが電気的に接続されてなる配線構造が完成する。更に、上述したダマシン法を繰り返し、上層Cu配線11と接続される配線構造を形成する場合もある。
【0051】
しかる後、更なる層間絶縁膜やビア孔、配線等の形成を経て、前記配線構造を備えてなるMOSトランジスタを完成させる。
【0052】
(第2の実施形態)
図9は、本実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
この配線構造を形成するにあたり、シリコン半導体基板上にゲート電極、ソース/ドレインを備えたMOSトランジスタ構造(不図示)を形成する。そして、このMOSトランジスタ構造の例えばゲート電極と電気的に接続される配線構造に本発明が適用される。
【0053】
先ず、図9(a)に示すように、シリコン半導体基板(不図示)の上方に、いわゆるダマシン法により下層Cu配線1を形成する。
【0054】
続いて、下層Cu配線1とビア孔を介して電気的に接続される上層Cu配線を形成する。
具体的には、下層Cu配線1の表面を覆うようにエッチングストッパーとなるシリコンカーバイド膜2を膜厚数十(nm)程度に形成した後、層間絶縁膜として例えば有機SOD膜、ここではポリアリールエーテル系の低誘電率膜3を膜厚数百(nm)程度に塗布し、更にハードマスクとなるシリコンカーバイド膜4を膜厚数十(nm)程度に形成する。
【0055】
続いて、フォトリソグラフィー及びこれに続くエッチングにより、先ずシリコンカーバイド膜4に配線パターンとなる部分を形成し、ハードマスクとする。続いて、下層Cu配線1の表面の一部を露出させるように、低誘電率膜3にビア孔5を形成する。このとき、下層Cu配線1の表面の一部を完全には露出させることなく、下層Cu配線1上でシリコンカーバイド膜2を極薄に残し、言わば前記表面の一部をほぼ露出させた状態となるようにしても良い。
【0056】
そして、シリコンカーバイド膜4をハードマスクとして用いて低誘電率膜3をエッチングし、ハードマスクの配線パターンの形状に倣った配線溝6を形成する。ここで、前記エッチングは、CF系ガス、NH3系ガス、及びN2/H2系ガスを用いたプラズマエッチングとして行う。
【0057】
続いて、図9(b)に示すように、本発明の3ステップ・スパッタにより、配線溝6及びビア孔5の内壁を覆うバリアメタル膜を形成する。なお、当該3ステップ・スパッタは3回のスパッタを同一チャンバー内で連続的に行い、スパッタ時の基板温度を−30℃〜200℃、チャンバー内圧力5.0×10-3Pa〜1.0Pa、チャンバー内における半導体基板とカソード電極との距離を150mm以上とすることが望ましい。
【0058】
具体的には、先ず工程▲1▼の1回目のスパッタ、ノンバイアスまたはバイアス・スパッタを行う。この場合、Taターゲットを用い、ターゲットパワーを5(kW)〜30(kW)、RFバイアスを0(W/cm2)〜0.96(W/cm2)、Ar流量を5(sccm)〜50(sccm)として、膜厚10(nm)〜20(nm)程度にスパッタする。
【0059】
次に、工程▲1▼と同一のチャンバー内で連続した工程▲2▼の2回目のスパッタ、ここではバイアス・スパッタを行う。ここでは、Taターゲットを用い、ターゲットパワーを5(kW)〜30(kW)、RFバイアスを0.96(W/cm2)〜1.6(W/cm2)、Ar流量を5(sccm)〜50(sccm)として、局所的なエッチングを伴う膜厚(−5(nm)〜5(nm))程度にスパッタする。
【0060】
工程▲3▼の3回目のスパッタ、ノンバイアスまたはバイアス・スパッタを行う。この場合、Taターゲットを用い、ターゲットパワーを5(kW)〜30(kW)、RFバイアスを0(W/cm2)〜0.96(W/cm2)、Ar流量を5(sccm)〜50(sccm)として、膜厚5(nm)〜10(nm)程度にスパッタする。
以上の3ステップ・スパッタにより膜厚10(nm)〜35(nm)程度のバリアメタル膜7を形成する。
【0061】
続いて、図9(c)に示すように、バリアメタル膜7を覆うように、シード金属膜としてCu膜8をスパッタ法により膜厚40(nm)〜200(nm)程度に堆積形成する。スパッタの条件としては、ターゲットパワーを5(kW)〜30(kW)、RFバイアスを0.32(W/cm2)〜1.6(W/cm2)、Ar流量を5(sccm)〜50(sccm)とする。
この場合、Cu膜8もバリアメタル膜7と同様、本発明の2ステップ・スパッタにより形成するようにしても良い。
【0062】
続いて、図9(d)に示すように、Cu膜8を電極として、電解メッキ法により、硫酸銅浴で電流密度を7(A/cm2)〜30(A/cm2)として配線溝6内及びビア孔5内を埋め込む膜厚、ここでは500(nm)〜2000(nm)程度にCu膜9を形成する。
【0063】
そして、図9(e)に示すように、有機酸スラリーを用いてCMP法によりCu膜8,9及びバリアメタル膜7を研磨して、配線溝6内及びビア孔5内のみにCu膜8,9及びバリアメタル膜7を残し、上層Cu配線11を形成する。
【0064】
以上により、ビア孔5を介して下層Cu配線1と上層Cu配線11とが電気的に接続されてなる配線構造が完成する。更に、上述したダマシン法を繰り返し、上層Cu配線11と接続される配線構造を形成する場合もある。
【0065】
しかる後、更なる層間絶縁膜やビア孔、配線等の形成を経て、前記配線構造を備えてなるMOSトランジスタを完成させる。
【0066】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【0067】
(付記1)基板上方の絶縁膜内に下地膜を介してなる配線構造を形成する方法であって、
前記下地膜をスパッタ法により形成するに際して、
前記下地膜の材料を堆積させる状態による条件で行う第1のスパッタ工程と、
前記下地膜の材料を堆積させる第1の状態と、堆積した前記下地膜の材料をエッチングする第2の状態とが混在し、前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となる条件で行う第2のスパッタ工程と
を含むことを特徴とする配線構造の形成方法。
【0068】
(付記2)前記第1のスパッタ工程を低バイアスで行い、前記第2のスパッタ工程を高バイアス且つ短時間で行うことを特徴とする付記1に記載の配線構造の形成方法。
【0069】
(付記3)前記第1のスパッタ工程をバイアス無印加の条件で行うことを特徴とする付記2に記載の配線構造の形成方法。
【0070】
(付記4)前記第1及び第2のスパッタ工程を同一のチャンバー内で連続的に行うことを特徴とする付記1又は2に記載の配線構造の形成方法。
【0071】
(付記5)前記第1及び第2のスパッタ工程を、自己スパッタ法又は自己スパッタ法を主としたチャンバー構造を有し、チャンバーシールド側面に対して正電位となる正電極を備えたスパッタ装置を用いて行うことを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の配線構造の形成方法。
【0072】
(付記6)前記第1及び第2のスパッタ工程を、前記基板を保持する基板保持手段がRFバイアスを印加する機構を有してなるスパッタ装置を用いて行うことを特徴とする付記1〜5のいずれか1項に記載の配線構造の形成方法。
【0073】
(付記7)前記配線構造は、前記絶縁膜に形成された接続孔及び配線溝を前記下地膜を介して銅を含有する材料により充填してなるダマシン構造を有することを特徴とする付記1〜6のいずれか1項に記載の配線構造の形成方法。
【0074】
(付記8)前記下地膜は、高融点金属、高融点金属の窒素化合物、及び珪素化合物のうちから選ばれた少なくとも1種を含み、前記銅を含有する材料の拡散防止機能及び密着機能を有することを特徴とする付記7に記載の配線構造の形成方法。
【0075】
(付記9)前記下地膜は、少なくとも銅を含み、前記銅を含有する材料をメッキ形成する際のシード層として機能することを特徴とする付記7又は8に記載の配線構造の形成方法。
【0076】
(付記10)基板上方の絶縁膜内に下地膜を介してなる配線構造を形成する方法であって、
前記下地膜をスパッタ法により形成するに際して、
前記下地膜の材料を堆積させる条件で行う第1のスパッタ工程と、
前記下地膜の材料を堆積させる第1の状態と、堆積した前記下地膜の材料をエッチングする第2の状態とが混在し、前記第2の状態が前記第1の状態よりも強度となる条件で行う第2のスパッタ工程と、
前記下地膜の材料を堆積させる条件で行う第3のスパッタ工程と
を含むことを特徴とする配線構造の形成方法。
【0077】
(付記11)前記第1及び第3のスパッタ工程を低バイアスで行い、前記第2のスパッタ工程を高バイアスで行うことを特徴とする付記10に記載の配線構造の形成方法。
【0078】
(付記12)前記第1及び第3のスパッタ工程をバイアス無印加の条件で行うことを特徴とする付記10に記載の配線構造の形成方法。
【0079】
(付記13)前記第1のスパッタ工程をバイアス無印加の条件、前記第3のスパッタ工程を前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となる条件でそれぞれ行うことを特徴とする付記10に記載の配線構造の形成方法。
【0080】
(付記14)前記第1のスパッタ工程を前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となる条件、前記第3のスパッタ工程をバイアス無印加の条件でそれぞれ行うことを特徴とする付記10に記載の配線構造の形成方法。
【0081】
(付記15)前記第1及び第3のスパッタ工程を前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となる条件でそれぞれ行うことを特徴とする付記10に記載の配線構造の形成方法。
【0082】
(付記16)前記第1、第2及び第3のスパッタ工程を同一のチャンバー内で連続的に行うことを特徴とする付記10〜15のいずれか1項に記載の配線構造の形成方法。
【0083】
(付記17)前記下地膜は、Ta,Ti,W,Zrから選ばれた少なくとも1種、Ta,Ti,W,Zrから選ばれた少なくとも1種の窒化物、又はTa,Ti,W,Zrから選ばれた少なくとも1種の化合物を材料として含むことを特徴とする付記10〜16のいずれか1項に記載の配線構造の形成方法。
【0084】
(付記18)前記下地膜を、基板温度−30℃〜200℃で形成することを特徴とする付記10〜17のいずれか1項に記載の配線構造の形成方法。
【0085】
(付記19)前記下地膜を、チャンバー内圧力5.0×10-3Pa〜1.0Paで形成することを特徴とする付記10〜18のいずれか1項に記載の配線構造の形成方法。
【0086】
(付記20)前記下地膜を形成する際に、チャンバー内における前記基板とカソード電極との距離を150mm以上とすることを特徴とする付記10〜19のいずれか1項に記載の配線構造の形成方法。
【0087】
(付記21)前記配線構造は、前記絶縁膜に形成された接続孔及び配線溝を前記下地膜を介して銅を含有する材料により充填してなるダマシン構造を有することを特徴とする付記10〜20のいずれか1項に記載の配線構造の形成方法。
【0088】
(付記22)前記第1のスパッタ工程を前記接続孔の底部位に前記下地膜の材料が堆積する条件で、前記第2のスパッタ工程を前記底部位に堆積した前記下地膜の材料をエッチングする条件で、前記第3のスパッタ工程を前記底部位に前記下地膜の材料が堆積する条件でそれぞれ行うことを特徴とする付記21に記載の配線構造の形成方法。
【0089】
【発明の効果】
本発明の配線構造の形成方法によれば、ビア孔の高アスペクト化に対応したバリアメタル膜の十分な被覆性(カバレッジ)を確実に得ることを可能とし、半導体装置の更なる微細化・高集積化に対応しつつも配線信頼性及び初期歩留りの向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の2ステップ・スパッタの構成を説明するための概略断面図である。
【図2】本発明の2ステップ・スパッタにおけるチェーン抵抗の初期歩留りを示す特性図である。
【図3】本発明の2ステップ・スパッタにおける配線信頼性を示す特性図である。
【図4】ビア孔内壁の肩部A,側壁部B,底部Cにおけるバリアメタル膜の各膜厚について調べた結果を示す模式図である。
【図5】本発明の3ステップ・スパッタの構成を説明するための概略断面図である。
【図6】本発明の3ステップ・スパッタにおけるバリアメタル膜材料の組み合わせを示す模式図である。
【図7】第1の実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
【図8】諸実施形態で用いるスパッタチャンバーの概略構成を示す模式図である。
【図9】第2の実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
【図10】従来の1ステップ・スパッタの構成を説明するための概略断面図である。
【図11】従来の2ステップ・スパッタの構成を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
1,101 下層Cu配線
2,4 シリコンカーバイド膜
3 低誘電率膜
5,103 ビア孔
6,104 配線溝
7 バリアメタル膜
8,9 Cu膜
11 上層Cu配線
102 層間絶縁膜
106 Cu材料
107,108 空隙(ボイド)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a wiring structure mainly used in a semiconductor device, and is particularly applied when a wiring structure is formed of a material containing at least copper (Cu).
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the high integration of semiconductor elements and the reduction in chip size, miniaturization of wiring and multilayer wiring have been accelerated. In a logic device having such multilayer wiring, wiring delay is becoming one of the dominant factors of device signal delay. The signal delay of the device is proportional to the product of the wiring resistance value and the wiring capacitance. Therefore, to improve the wiring delay, it is important to reduce the wiring resistance value and the wiring capacitance.
[0003]
Therefore, in order to reduce the wiring capacity, it has been studied to form a Cu wiring. Cu is difficult to process. Therefore, as a suitable structure when this is applied to a wiring, a connection hole (via hole) and a wiring groove formed in an interlayer insulating film are used to prevent diffusion of Cu and improve adhesion. A so-called damascene structure, which is filled with Cu via a base film (barrier metal film) formed on the substrate, has attracted attention.
[0004]
In this case, in order to form the barrier metal film, a self-sputtering method or an ionization sputtering method typified by IMP or the like is used in order to ensure high coverage.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3310608
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In order to meet the recent demand for miniaturization and high integration of semiconductor devices, further miniaturization of the Cu wiring structure is required, and accordingly, the via hole needs to have a high aspect ratio. However, even if ionized sputtering is used, it is difficult to obtain sufficient coverage (coverage) of the barrier metal film corresponding to the high aspect ratio of the via hole. For this reason, when a metal film having a sufficient film thickness is formed on the side wall and the bottom of the via hole with respect to the pattern including the via hole and the wiring groove, excess metal adheres to the shoulder. When the inside of the pattern is filled with Cu by a plating method, the penetration of the plating solution into the pattern is hindered, an embedding failure occurs, the yield is lowered, and the wiring reliability is remarkably deteriorated.
[0007]
In addition, by applying an RF bias to the stage side mounted in the sputtering chamber to form a metal film (bias sputtering method), the barrier metal film coverage is improved, but the shoulder of the wiring groove and via hole is improved. There is a concern that a part may be etched and a short circuit may occur between adjacent wirings, particularly in a narrow pitch wiring.
[0008]
Specifically, the bias sputtering method is a method in which an RF bias is applied to the stage mounted in the sputtering chamber, and the film is formed while drawing the sputtered particles. As a result, for example, the effect of increasing the number of sputtered particles entering the via hole and the wiring groove and the effect of scattering the sputtered particles adhering to the via hole and the side wall of the wiring groove again (etching effect) can be effectively used. By doing so, it is possible to form a base film with excellent coverage even in places where the sputtered particles are difficult to adhere and the coverage is insufficient, such as the side wall near the bottom of the via hole.
[0009]
Sputtering for forming the barrier metal film includes non-bias sputtering with no RF bias applied or sputtering with a bias sputtering with RF bias applied (hereinafter referred to as one-step sputtering), non-bias sputtering. Subsequent to the one-step sputtering, there is sputtering (hereinafter referred to as two-step sputtering) performed by combining a bias sputtering method in which an RF bias is applied.
[0010]
However, at this time, inconvenience as described below occurs. FIG. 10 shows the case of one-step sputtering, and FIG. 11 shows the case of two-step sputtering. 10 and 11, a barrier metal film 105 is formed on the inner wall of the wiring groove 104 and the via hole 103 formed in the interlayer insulating film 102 covering the lower layer wiring 101 by the sputtering method, and then the Cu material 106 is formed by plating. Embed.
[0011]
In the non-bias one-step sputtering, as shown in FIG. 10A, the barrier metal film 105 becomes thin particularly at the side wall portion of the via hole 103, and the coverage is lowered. Thereby, when the Cu material 106 is filled, voids 107 are generated due to insufficient coverage.
[0012]
Further, in one-step sputtering in which an RF bias is applied, as shown in FIG. 10B, coverage is ensured at the side wall of the via hole 103, but coverage at the bottom of the via hole 103 is reduced and Overhang becomes strong at the upper portion (shoulder portion) of the side wall of the hole 103, and when the Cu material 106 is filled, voids 108 are generated in the bottom portion or the shoulder portion.
[0013]
On the other hand, in the two-step sputtering, it is possible to form a film without increasing the overhang of the shoulder while ensuring the coverage of the bottom. However, in two-step sputtering, variations in electrical characteristics are likely to occur due to deterioration of in-plane distribution and variations in film thickness at the bottom of the barrier metal film. Furthermore, if the barrier metal film 105 remains partially at the connection site between the lower layer wiring 101 and the via hole 103, there is a risk of causing voids due to non-uniform wiring stress. In addition, when the Cu material 106 of the lower layer wiring 101 and the via hole 103 is joined without passing through the barrier metal film 105, a crystal defect occurs due to a difference in film quality between the two, and the EM (electromigration) resistance is impaired. There is also a fear.
[0014]
From this point of view, in order to ensure wiring reliability, a certain thickness of the barrier metal film 105 at the bottom must be secured, and an attempt is made to achieve Cu filling in which a void is not generated in a high aspect ratio via hole. Then, in one-step sputtering or two-step sputtering, the process window is too narrow and it is difficult to apply the process.
[0015]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and makes it possible to reliably obtain sufficient coverage (coverage) of a barrier metal film corresponding to a high aspect ratio of a via hole. It is an object of the present invention to provide a method for forming a wiring structure that realizes improvement in wiring reliability and initial yield while accommodating miniaturization and high integration.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  The wiring structure forming method of the present invention is a method for forming a wiring structure having a wiring material and a barrier metal film for preventing diffusion of the wiring material in a connection hole disposed in an insulating film above a substrate. When the barrier metal film is formed by sputtering, the following two-step sputtering is performed.
  No bias appliedA first sputtering step performed under conditions;After the first sputtering step,A first state in which the material of the barrier metal film is deposited and a second state in which the deposited material of the barrier metal film is etched are mixed, and the first state is the second state at the bottom of the connection hole. And a second sputtering step for 3 seconds to 12 seconds performed by applying a bias so as to be stronger than the above state.
[0017]
  The wiring structure forming method of the present invention is a method for forming a wiring structure having a wiring material and a barrier metal film for preventing diffusion of the wiring material in a connection hole disposed in an insulating film above a substrate. When the barrier metal film is formed by sputtering, the following three-step sputtering is performed.
First sputtering processWhen,After the first sputtering step,A first state in which the material of the barrier metal film is deposited and a second state in which the deposited material of the barrier metal film is etched are mixed, and the second state is the first state at the bottom of the connection hole. A second sputtering step performed under conditions that are stronger than the state ofThird sputtering step performed after the second sputtering stepIncludingIn the first and third sputtering processes, the first and third sputtering processes are performed under the condition of no bias applied, or the first sputtering process is performed under the condition of no bias applied, and the third sputtering process. Performing the process under the condition that the first state is stronger than the second state, or performing the first sputtering step under the condition that the first state is stronger than the second state, Either the third sputtering step is performed under the condition that no bias is applied, or the first and third sputtering steps are performed under the condition that the first state is stronger than the second state, respectively. It is.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
-Basic outline of the present invention-
First, the basic outline based on the operation principle of the present invention will be described.
[0019]
(Basic principle 1)
As a first technique of the present invention, the inventor has sought a film formation technique for a barrier metal film having excellent coverage over the entire via hole and wiring groove while taking advantage of the above-described two-step sputtering.
[0020]
In the bias sputtering method, there are a first state in which a sputtered material is deposited and a second state in which the deposited sputtered material is etched in accordance with the bias power. In general, RF bias (e.g. bias density (W / cm2If)) is low, the deposition rate is higher than the etching rate in the first state due to strength in the second state. On the other hand, if the RF bias is higher than this, the relative intensity of the second state will increase and the etching rate will be higher than the deposition rate.
[0021]
FIG. 1 shows a schematic configuration of the two-step sputtering of the present invention. Here, a barrier metal film 105 is formed on the inner wall of the wiring trench 104 and the via hole 103 formed in the interlayer insulating film 102 covering the lower layer wiring 101 by the sputtering method, and then a Cu material 106 is embedded by a plating method. The material of the barrier metal film 105 includes at least one selected from a refractory metal, a nitrogen compound of a refractory metal, and a silicon compound, and has a diffusion preventing function and an adhesion function of a Cu material. Here, the melting point metal is Ta.
[0022]
In the present invention, paying attention to the above-mentioned property in bias sputtering, first, a low RF bias, preferably a non-bias is used with respect to a state where the inner walls of the wiring trench 104 and the via hole 103 are exposed (FIG. 1A). After depositing the metal material by performing the first sputtering (FIG. 1B), the relative strength in the first state is set higher than that in the second state, that is, the deposition rate is set higher than the etching rate. A second sputtering is performed (FIG. 1C).
[0023]
Here, in the first sputtering, only the first state which is the deposition mode or this is dominant, so that the coverage at the bottom of the via hole 103 of the barrier metal film 105 is ensured. In the second sputtering, the first state that is the deposition mode and the second state that is the etching mode coexist, but the first state is dominant. Therefore, the barrier metal film 105 is formed at the bottom of the via hole 103. Coverage is maintained by suppressing defects caused by etching, and coverage in the side wall portion of the barrier metal film 105 is ensured while suppressing the overhang of the shoulder portion of the via hole 103 due to the presence of the second state. Therefore, excellent coverage of the barrier metal film 105 is obtained not only on the wiring groove 104 but also on the entire inner wall of the via hole 103, and satisfactory filling of the Cu material 106 is realized without generating voids or the like (FIG. 1D). )).
[0024]
The inventor considered specific conditions for realizing the deposition rate> the etching rate in the second sputtering. The parameter that determines the relative superiority of the first and second states is not only the RF bias level. For example, when bias sputtering is performed with an RF bias set to a certain value, the strength of the first and second states is not constant, and the second state becomes stronger than the first state after a certain time. Was found.
[0025]
Therefore, based on comparison with one-step sputtering (non-bias) and conventional two-step sputtering (non-bias +350 W, RF bias with a bias application time of 15 seconds), the two-step sputtering of the present invention (non-bias +350 W, The initial yield of chain resistance at a bias application time of 10 seconds (RF bias) was examined.
[0026]
The experimental results are shown in FIG. As described above, compared with the one-step sputtering and the conventional two-step sputtering, the bias application time is shorter in the second sputtering in the second sputtering (shorter than the conventional 15 seconds). 3 seconds to 12 seconds, here 10 seconds), it can be seen that a sufficient initial yield can be obtained.
[0027]
Furthermore, based on a comparison with one-step sputtering (non-bias) and conventional two-step sputtering (non-bias +350 W, RF bias with a bias application time of 15 seconds), the two-step sputtering of the present invention (non-bias +350 W, The wiring reliability in the case of RF bias with a bias application time of 10 seconds was examined.
[0028]
The experimental results are shown in FIG. Here, a high temperature storage test was performed at 200 ° C. As described above, defects were observed in one-step sputtering or conventional two-step sputtering, whereas no defects were observed in the two-step sputtering of the present invention.
[0029]
Furthermore, based on the comparison with the conventional two-step sputtering (non-bias +350 W, RF bias with a bias application time of 15 seconds), the two-step sputtering of the present invention (non-bias +350 W, RF bias with a bias application time of 10 seconds) is performed. The thickness of each of the barrier metal films on the shoulder A, the side wall B, and the bottom C of the inner wall of the via hole was examined.
[0030]
The experimental results are shown in FIG. In the conventional two-step sputtering, the bottom portion C is swept away by the second sputtering, resulting in film formation failure (partial lack of barrier metal film). On the other hand, in the two-step sputtering of the present invention, a slight overhang is observed in the shoulder A by the second sputtering, but a sufficient film thickness (2-3 ( nm) degree).
[0031]
As described above, according to the first method of the present invention, it is possible to form a barrier metal film having excellent coverage on the inner wall of the via hole as well as the wiring groove by two-step sputtering. The reliability and the initial yield can be improved.
[0032]
(Basic principle 2)
As a second technique of the present invention, the present inventor obtained a barrier metal film having excellent coverage over the entire via hole and wiring trench by performing the third sputtering in addition to the above-described two-step sputtering. I came up with the idea.
[0033]
FIG. 5 shows a schematic configuration of the three-step sputtering of the present invention. Here, as in FIG. 1, after forming the barrier metal film 105 on the inner wall of the wiring groove 104 and the via hole 103 formed in the interlayer insulating film 102 covering the lower layer wiring 101 by the sputtering method, the Cu material is then formed by the plating method. 106 is embedded.
[0034]
The material of the barrier metal film 105 is at least one selected from Ta, Ti, W, Zr, at least one nitride selected from Ta, Ti, W, Zr, or Ta, Ti, W, Zr. Those containing at least one compound selected from the above as a material are preferable. Specifically, as shown in FIG. 6, a combination of Ta and TaN in three sputterings (FIG. 6A), a combination of Ti and TiN (FIG. 6B), and a combination of W and WN (FIG. 6). (C)), a combination of Zr and ZrN (FIG. 6D) was examined. Hereinafter, in this example, a case where Ta is used as the material of the barrier metal film 105 will be described.
[0035]
In the present invention, first, after a metal material is deposited by performing a first sputtering with a low RF bias or non-bias in a state where the inner walls of the wiring trench 104 and the via hole 103 are exposed (FIG. 5A) ( In FIG. 5B, the first state that is the deposition mode and the second state that is the etching mode coexist, and the second state prevails, for example, with an RF bias higher than that of the first sputtering. A second sputtering is performed to deposit a metal material (FIG. 5C). At this time, as in FIGS. 10 and 11, a film formation failure (partial lack of metal material) occurs at the bottom of the via hole 103. Then, the third sputtering is performed with an RF bias or non-bias lower than the second time (FIG. 5D). Thus, the barrier metal film 105 at the bottom of the via hole 103 is formed thick without increasing the overhang at the shoulder of the via hole 103. Therefore, excellent coverage of the barrier metal film 105 is obtained not only on the wiring trench 104 but also on the entire inner wall of the via hole 103, and good filling of the Cu material 106 is realized without generating voids or the like (FIG. 5E). )).
[0036]
Here, the level of the RF bias in the three sputterings is specifically, as an example, when the target power is 10 kW,
▲ 1 ▼ 0.96 (W / cm2In smaller cases, etch rate> deposition rate
(2) 0.96 (W / cm2In larger cases, deposition rate> etch rate
It becomes. Note that the bias power at which both modes are switched varies depending on the DC power of sputtering.
That is, with reference to this, the bias (1) is adopted as the first and third low RF biases, and the bias (2) is adopted as the second high RF bias.
[0037]
As described above, according to the second method of the present invention, the thickness of the barrier metal film at the bottom of the via hole is increased by three-step sputtering without increasing the overhang at the shoulder of the via hole. Can be secured. Accordingly, it becomes possible to effectively correct the film thickness variation of the barrier metal film at the bottom of the via hole which has occurred until the second sputtering, and the process margin can be increased and the wiring reliability can be improved. It becomes possible.
[0038]
-Specific embodiments-
Hereinafter, specific embodiments based on the basic outline of the present invention described above will be described. Here, a specific embodiment in which the present invention is applied to a method of forming a Cu wiring by a damascene method (here, a so-called dual damascene method) will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, a general MOS transistor is taken as an example of a semiconductor device, and the present invention is applied to the formation of the wiring structure.
[0039]
(First embodiment)
FIG. 7 is a schematic sectional view showing the method for forming the wiring structure according to the present embodiment in the order of steps.
In forming this wiring structure, a MOS transistor structure (not shown) having a gate electrode and a source / drain is formed on a silicon semiconductor substrate. The present invention is applied to a wiring structure electrically connected to, for example, a gate electrode of this MOS transistor structure.
[0040]
First, as shown in FIG. 7A, a lower layer Cu wiring 1 is formed above a silicon semiconductor substrate (not shown) by a so-called damascene method.
[0041]
Subsequently, an upper layer Cu wiring that is electrically connected to the lower layer Cu wiring 1 through the via hole is formed.
Specifically, after forming a silicon carbide film 2 serving as an etching stopper so as to cover the surface of the lower Cu wiring 1 to a film thickness of about several tens (nm), an interlayer insulating film such as an organic SOD film, here polyaryl An ether-based low dielectric constant film 3 is applied to a thickness of about several hundreds (nm), and a silicon carbide film 4 serving as a hard mask is formed to a thickness of about several tens (nm).
[0042]
Subsequently, by photolithography and subsequent etching, a portion to be a wiring pattern is first formed in the silicon carbide film 4 to form a hard mask. Subsequently, a via hole 5 is formed in the low dielectric constant film 3 so that a part of the surface of the lower layer Cu wiring 1 is exposed. At this time, the silicon carbide film 2 is left extremely thin on the lower layer Cu wiring 1 without completely exposing a part of the surface of the lower layer Cu wiring 1, that is, a state in which a part of the surface is almost exposed. You may make it become.
[0043]
Then, the low dielectric constant film 3 is etched using the silicon carbide film 4 as a hard mask to form a wiring groove 6 that follows the shape of the wiring pattern of the hard mask. Here, the etching is performed using CF gas, NH.ThreeSystem gas and N2/ H2This is performed as plasma etching using a system gas.
[0044]
Subsequently, as shown in FIG. 7B, a barrier metal film covering the inner walls of the wiring trench 6 and the via hole 5 is formed by the two-step sputtering of the present invention.
The two-step sputtering is performed twice in the same chamber. As the sputtering chamber, as shown in FIG. 8, a self-sputtering method or a chamber mainly using a self-sputtering method is used. In this chamber, a stage bias power source for applying an RF bias to the semiconductor substrate is connected to the substrate stage 21, and a target 22 is provided so as to face the substrate stage 21. A target power supply 24 is connected via the assembly 23. A shield 25 is provided on the side surface in the chamber, and a sputtering gas (here, Ar and N) is provided in the chamber.2) Is provided, and an exhaust port 27 is provided.
[0045]
Specifically, first, as the first sputtering in the step (1), here, the non-bias sputtering, the DC power is 10 (kW) to 15 (kW), and the discharge pressure is 5 × 10.-2A positive potential, for example, about 100 (V) is applied to the shield 25 at about (Pa), the Ar flow rate is set to 5 (sccm) to 50 (sccm), and sputtering is performed using a Ta target.
[0046]
Next, the second sputtering in step (2), in this case, bias sputtering is performed in the same chamber as in step (1). In this case, although the first state in the deposition mode and the second state in the etching mode coexist, the conditions in which the first state is dominant, specifically, the bias power is 350 W, and the bias application time is 10 seconds. And sputtering using a Ta target with an Ar flow rate of 5 (sccm) to 50 (sccm).
The barrier metal film 7 having a thickness of about 10 (nm) to 35 (nm) is formed by the above two-step sputtering.
[0047]
Subsequently, as shown in FIG. 7C, a Cu film 8 is deposited and formed as a seed metal film to a thickness of about 40 (nm) to 200 (nm) by a sputtering method so as to cover the barrier metal film 7. As sputtering conditions, the target power is 5 (kW) to 30 (kW), and the RF bias is 0.32 (W / cm).2) To 1.6 (W / cm2), Ar flow rate is 5 (sccm) to 50 (sccm).
In this case, the Cu film 8 may also be formed by the two-step sputtering of the present invention, like the barrier metal film 7.
[0048]
Subsequently, as shown in FIG. 7D, the current density is set to 7 (A / cm) in a copper sulfate bath by electrolytic plating using the Cu film 8 as an electrode.2) To 30 (A / cm2), The Cu film 9 is formed to have a film thickness that fills the wiring trench 6 and the via hole 5, in this case, about 500 (nm) to 2000 (nm).
[0049]
Then, as shown in FIG. 7E, the Cu films 8 and 9 and the barrier metal film 7 are polished by CMP using an organic acid slurry, so that the Cu film 8 is only in the wiring trench 6 and the via hole 5. 9 and the barrier metal film 7 are left, and the upper Cu wiring 11 is formed.
[0050]
Thus, a wiring structure in which the lower layer Cu wiring 1 and the upper layer Cu wiring 11 are electrically connected through the via hole 5 is completed. Furthermore, the damascene method described above may be repeated to form a wiring structure connected to the upper Cu wiring 11.
[0051]
Thereafter, through further formation of interlayer insulating films, via holes, wirings, etc., a MOS transistor having the wiring structure is completed.
[0052]
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating the method for forming the wiring structure according to the present embodiment in the order of steps.
In forming this wiring structure, a MOS transistor structure (not shown) having a gate electrode and a source / drain is formed on a silicon semiconductor substrate. The present invention is applied to a wiring structure electrically connected to, for example, a gate electrode of this MOS transistor structure.
[0053]
First, as shown in FIG. 9A, a lower layer Cu wiring 1 is formed above a silicon semiconductor substrate (not shown) by a so-called damascene method.
[0054]
Subsequently, an upper layer Cu wiring that is electrically connected to the lower layer Cu wiring 1 through the via hole is formed.
Specifically, after forming a silicon carbide film 2 serving as an etching stopper so as to cover the surface of the lower Cu wiring 1 to a film thickness of about several tens (nm), an interlayer insulating film such as an organic SOD film, here polyaryl An ether-based low dielectric constant film 3 is applied to a thickness of about several hundreds (nm), and a silicon carbide film 4 serving as a hard mask is formed to a thickness of about several tens (nm).
[0055]
Subsequently, by photolithography and subsequent etching, a portion to be a wiring pattern is first formed in the silicon carbide film 4 to form a hard mask. Subsequently, a via hole 5 is formed in the low dielectric constant film 3 so that a part of the surface of the lower layer Cu wiring 1 is exposed. At this time, the silicon carbide film 2 is left extremely thin on the lower layer Cu wiring 1 without completely exposing a part of the surface of the lower layer Cu wiring 1, that is, a state in which a part of the surface is almost exposed. You may make it become.
[0056]
Then, the low dielectric constant film 3 is etched using the silicon carbide film 4 as a hard mask to form a wiring groove 6 that follows the shape of the wiring pattern of the hard mask. Here, the etching is performed using CF gas, NH.ThreeSystem gas and N2/ H2This is performed as plasma etching using a system gas.
[0057]
Subsequently, as shown in FIG. 9B, a barrier metal film that covers the inner walls of the wiring trench 6 and the via hole 5 is formed by the three-step sputtering of the present invention. In the three-step sputtering, three times of sputtering are continuously performed in the same chamber, the substrate temperature during sputtering is −30 ° C. to 200 ° C., and the pressure in the chamber is 5.0 × 10.-3It is desirable that Pa to 1.0 Pa and the distance between the semiconductor substrate and the cathode electrode in the chamber be 150 mm or more.
[0058]
Specifically, first, the first sputtering, non-bias or bias sputtering in the step (1) is performed. In this case, a Ta target is used, the target power is 5 (kW) to 30 (kW), and the RF bias is 0 (W / cm).2) To 0.96 (W / cm2), Ar flow rate is set to 5 (sccm) to 50 (sccm), and sputtering is performed to a film thickness of about 10 (nm) to 20 (nm).
[0059]
Next, the second sputtering in step (2), in this case, bias sputtering is performed in the same chamber as in step (1). Here, a Ta target is used, the target power is 5 (kW) to 30 (kW), and the RF bias is 0.96 (W / cm).2) To 1.6 (W / cm2), The Ar flow rate is set to 5 (sccm) to 50 (sccm), and sputtering is performed to a film thickness (−5 (nm) to 5 (nm)) with local etching.
[0060]
The third sputtering, non-bias or bias sputtering in step (3) is performed. In this case, a Ta target is used, the target power is 5 (kW) to 30 (kW), and the RF bias is 0 (W / cm).2) To 0.96 (W / cm2), Ar flow rate is set to 5 (sccm) to 50 (sccm), and sputtering is performed to a film thickness of about 5 (nm) to 10 (nm).
The barrier metal film 7 having a film thickness of about 10 (nm) to 35 (nm) is formed by the above three-step sputtering.
[0061]
Subsequently, as shown in FIG. 9C, a Cu film 8 is deposited and formed as a seed metal film to a thickness of about 40 (nm) to 200 (nm) by a sputtering method so as to cover the barrier metal film 7. As sputtering conditions, the target power is 5 (kW) to 30 (kW), and the RF bias is 0.32 (W / cm).2) To 1.6 (W / cm2), Ar flow rate is 5 (sccm) to 50 (sccm).
In this case, the Cu film 8 may also be formed by the two-step sputtering of the present invention, like the barrier metal film 7.
[0062]
Subsequently, as shown in FIG. 9D, the current density is set to 7 (A / cm) in a copper sulfate bath by electrolytic plating using the Cu film 8 as an electrode.2) To 30 (A / cm2), The Cu film 9 is formed to have a film thickness that fills the wiring trench 6 and the via hole 5, in this case, about 500 (nm) to 2000 (nm).
[0063]
Then, as shown in FIG. 9 (e), the Cu films 8 and 9 and the barrier metal film 7 are polished by CMP using an organic acid slurry, and the Cu film 8 only in the wiring trench 6 and the via hole 5. 9 and the barrier metal film 7 are left, and the upper Cu wiring 11 is formed.
[0064]
Thus, a wiring structure in which the lower layer Cu wiring 1 and the upper layer Cu wiring 11 are electrically connected through the via hole 5 is completed. Furthermore, the damascene method described above may be repeated to form a wiring structure connected to the upper Cu wiring 11.
[0065]
Thereafter, through further formation of interlayer insulating films, via holes, wirings, etc., a MOS transistor having the wiring structure is completed.
[0066]
Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.
[0067]
(Appendix 1) A method of forming a wiring structure through a base film in an insulating film above a substrate,
When forming the base film by sputtering,
A first sputtering step performed under conditions depending on a state in which the material of the base film is deposited;
A condition in which the first state in which the material of the base film is deposited and the second state in which the deposited material of the base film is etched are mixed, and the first state is stronger than the second state. A second sputtering step performed in
A method for forming a wiring structure comprising:
[0068]
(Supplementary note 2) The method for forming a wiring structure according to supplementary note 1, wherein the first sputtering step is performed with a low bias, and the second sputtering step is performed with a high bias in a short time.
[0069]
(Additional remark 3) The formation method of the wiring structure of Additional remark 2 characterized by performing said 1st sputtering process on the conditions of no bias application.
[0070]
(Additional remark 4) The formation method of the wiring structure of Additional remark 1 or 2 characterized by performing the said 1st and 2nd sputtering process continuously in the same chamber.
[0071]
(Supplementary Note 5) A sputtering apparatus having a chamber structure mainly composed of a self-sputtering method or a self-sputtering method and having a positive electrode having a positive potential with respect to the side surface of the chamber shield. The method for forming a wiring structure according to any one of appendices 1 to 4, wherein the wiring structure is formed by using the wiring structure.
[0072]
(Supplementary note 6) The supplementary notes 1 to 5, wherein the first and second sputtering steps are performed using a sputtering apparatus in which a substrate holding means for holding the substrate has a mechanism for applying an RF bias. The method for forming a wiring structure according to any one of the above.
[0073]
(Appendix 7) The wiring structure has a damascene structure in which connection holes and wiring grooves formed in the insulating film are filled with a material containing copper through the base film. 7. A method for forming a wiring structure according to any one of 6 above.
[0074]
(Supplementary Note 8) The base film includes at least one selected from a refractory metal, a nitrogen compound of a refractory metal, and a silicon compound, and has a diffusion preventing function and an adhesion function of the material containing copper. The method for forming a wiring structure according to appendix 7, wherein:
[0075]
(Additional remark 9) The said base film contains copper at least, and functions as a seed layer at the time of plating-forming the material containing the said copper, The formation method of the wiring structure of Additional remark 7 or 8 characterized by the above-mentioned.
[0076]
(Supplementary Note 10) A method of forming a wiring structure through a base film in an insulating film above a substrate,
When forming the base film by sputtering,
A first sputtering step performed under conditions for depositing the material of the base film;
A condition in which the first state in which the material of the base film is deposited and the second state in which the deposited material of the base film is etched are mixed, and the second state is stronger than the first state. A second sputtering step performed in
A third sputtering step performed under conditions for depositing the material of the base film;
A method for forming a wiring structure comprising:
[0077]
(Supplementary note 11) The method for forming a wiring structure according to supplementary note 10, wherein the first and third sputtering steps are performed with a low bias, and the second sputtering step is performed with a high bias.
[0078]
(Supplementary note 12) The method for forming a wiring structure according to supplementary note 10, wherein the first and third sputtering steps are performed under a condition in which no bias is applied.
[0079]
(Supplementary Note 13) The supplementary note is characterized in that the first sputtering step is performed under a condition in which no bias is applied, and the third sputtering step is performed under a condition in which the first state is stronger than the second state. The method for forming the wiring structure according to 10.
[0080]
(Supplementary Note 14) The supplementary note is characterized in that the first sputtering step is performed under a condition that the first state is stronger than the second state, and the third sputtering step is performed under a condition in which no bias is applied. The method for forming the wiring structure according to 10.
[0081]
(Supplementary note 15) The method for forming a wiring structure according to supplementary note 10, wherein the first and third sputtering steps are performed under the condition that the first state is stronger than the second state.
[0082]
(Supplementary note 16) The method for forming a wiring structure according to any one of supplementary notes 10 to 15, wherein the first, second, and third sputtering steps are continuously performed in the same chamber.
[0083]
(Supplementary Note 17) The base film is at least one selected from Ta, Ti, W, Zr, at least one nitride selected from Ta, Ti, W, Zr, or Ta, Ti, W, Zr. 17. The method for forming a wiring structure according to any one of appendices 10 to 16, comprising at least one compound selected from the above as a material.
[0084]
(Supplementary note 18) The method for forming a wiring structure according to any one of supplementary notes 10 to 17, wherein the base film is formed at a substrate temperature of -30 ° C to 200 ° C.
[0085]
(Supplementary note 19) The base film is subjected to a chamber internal pressure of 5.0 × 10.-3The method for forming a wiring structure according to any one of appendices 10 to 18, wherein the wiring structure is formed at Pa to 1.0 Pa.
[0086]
(Supplementary note 20) The wiring structure according to any one of supplementary notes 10 to 19, wherein when forming the base film, a distance between the substrate and the cathode electrode in the chamber is 150 mm or more. Method.
[0087]
(Appendix 21) The wiring structure has a damascene structure in which connection holes and wiring grooves formed in the insulating film are filled with a material containing copper through the base film. 21. The method for forming a wiring structure according to any one of 20 above.
[0088]
(Supplementary Note 22) Etching the base film material deposited on the bottom portion in the second sputtering step under the condition that the base film material is deposited on the bottom portion of the connection hole in the first sputtering step. 22. The method for forming a wiring structure according to appendix 21, wherein the third sputtering step is performed under conditions such that the material for the base film is deposited on the bottom portion.
[0089]
【The invention's effect】
According to the method for forming a wiring structure of the present invention, it is possible to surely obtain a sufficient coverage (coverage) of a barrier metal film corresponding to a high aspect ratio of a via hole, and further miniaturization and heightening of a semiconductor device. The wiring reliability and the initial yield can be improved while supporting the integration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a configuration of a two-step sputtering according to the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing an initial yield of chain resistance in the two-step sputtering of the present invention.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing wiring reliability in two-step sputtering according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the results of examining the thicknesses of barrier metal films at the shoulder A, the side wall B, and the bottom C of the inner wall of the via hole.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the three-step sputtering of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view showing a combination of barrier metal film materials in the three-step sputtering of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the method of forming the wiring structure according to the first embodiment in the order of steps.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a sputtering chamber used in various embodiments.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a method of forming a wiring structure according to a second embodiment in the order of steps.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of a conventional one-step sputtering.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of a conventional two-step sputtering.
[Explanation of symbols]
1,101 Lower layer Cu wiring
2,4 Silicon carbide film
3 Low dielectric constant film
5,103 Via hole
6,104 Wiring groove
7 Barrier metal film
8,9 Cu film
11 Upper layer Cu wiring
102 Interlayer insulation film
106 Cu material
107,108 Void

Claims (5)

基板上方の絶縁膜内に配設された接続孔に、配線材料及び前記配線材料の拡散を防止するバリアメタル膜を有する配線構造を形成する方法であって、
前記バリアメタル膜をスパッタ法により形成するに際して、
バイアス無印加の条件で行う第1のスパッタ工程と、
前記第1のスパッタ工程の後、前記バリアメタル膜の材料を堆積させる第1の状態と、堆積した前記バリアメタル膜の材料をエッチングする第2の状態とが混在し、前記接続孔の底部において前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となるような、バイアス印加で行われる3秒間〜12秒間の第2のスパッタ工程と
を含むことを特徴とする配線構造の形成方法。
A method of forming a wiring structure having a wiring material and a barrier metal film for preventing diffusion of the wiring material in a connection hole disposed in an insulating film above a substrate,
When forming the barrier metal film by sputtering,
A first sputtering step performed under the condition of no bias application ;
After the first sputtering step, a first state in which the material of the barrier metal film is deposited and a second state in which the deposited material of the barrier metal film is etched coexist at the bottom of the connection hole. And a second sputtering step of 3 to 12 seconds performed by applying a bias so that the first state is stronger than the second state.
前記配線構造は、前記絶縁膜に形成された前記接続孔及び配線溝を前記バリアメタル膜を介して銅を含有する前記配線材料により充填してなるダマシン構造を有することを特徴とする請求項に記載の配線構造の形成方法。The wiring structure according to claim 1, characterized in that it comprises a damascene structure formed by filling with the wiring material containing copper the formed insulating film was the connection hole and the wiring groove through the barrier metal film A method of forming a wiring structure as described in 1. 基板上方の絶縁膜内に配設された接続孔に、配線材料及び前記配線材料の拡散を防止するバリアメタル膜を有する配線構造を形成する方法であって、
前記バリアメタル膜をスパッタ法により形成するに際して、
第1のスパッタ工程と、
前記第1のスパッタ工程の後、前記バリアメタル膜の材料を堆積させる第1の状態と、堆積した前記バリアメタル膜の材料をエッチングする第2の状態とが混在し、前記接続孔の底部において前記第2の状態が前記第1の状態よりも強度となる条件で行う第2のスパッタ工程と、
前記第2のスパッタ工程の後に行う第3のスパッタ工程
を含み、
前記第1及び第3のスパッタ工程は、
前記第1及び第3のスパッタ工程をバイアス無印加の条件で行うか、
前記第1のスパッタ工程をバイアス無印加の条件、前記第3のスパッタ工程を前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となる条件でそれぞれ行うか、
前記第1のスパッタ工程を前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となる条件、前記第3のスパッタ工程をバイアス無印加の条件でそれぞれ行うか、
前記第1及び第3のスパッタ工程を前記第1の状態が前記第2の状態よりも強度となる条件でそれぞれ行うか、のいずれかであることを特徴とする配線構造の形成方法。
A method of forming a wiring structure having a wiring material and a barrier metal film for preventing diffusion of the wiring material in a connection hole disposed in an insulating film above a substrate,
When forming the barrier metal film by sputtering,
A first sputtering step ;
After the first sputtering step, a first state in which the material of the barrier metal film is deposited and a second state in which the deposited material of the barrier metal film is etched coexist at the bottom of the connection hole. A second sputtering step that is performed under a condition that the second state is stronger than the first state;
Look including a third sputtering step performed after the second sputtering step,
The first and third sputtering steps include
Performing the first and third sputtering steps under the condition of no bias applied;
The first sputtering step is performed under a condition in which no bias is applied, and the third sputtering step is performed under a condition where the first state is stronger than the second state,
Performing the first sputtering step under a condition in which the first state is stronger than the second state, and performing the third sputtering step under a condition in which no bias is applied,
A method of forming a wiring structure, wherein the first and third sputtering steps are each performed under a condition in which the first state is stronger than the second state .
前記配線構造は、前記絶縁膜に形成された前記接続孔及び配線溝を前記バリアメタル膜を介して銅を含有する前記配線材料により充填してなるダマシン構造を有することを特徴とする請求項に記載の配線構造の形成方法。The wiring structure according to claim 3, characterized in that it comprises a damascene structure formed by filling with the wiring material containing copper said insulating the connection holes and the wiring grooves formed in the film through the barrier metal film A method of forming a wiring structure as described in 1. 前記第1のスパッタ工程を前記接続孔の底部位に前記バリアメタル膜の材料が堆積する条件で、前記第2のスパッタ工程を前記底部位に堆積した前記バリアメタル膜の材料をエッチングする条件で、前記第3のスパッタ工程を前記底部位に前記バリアメタル膜の材料が堆積する条件でそれぞれ行うことを特徴とする請求項に記載の配線構造の形成方法。The first sputtering step is performed under conditions for depositing the material of the barrier metal film on the bottom portion of the connection hole, and the second sputtering step is performed under conditions for etching the material of the barrier metal film deposited on the bottom portion. 5. The method of forming a wiring structure according to claim 4 , wherein the third sputtering step is performed under the condition that the material of the barrier metal film is deposited on the bottom portion.
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