JP5380984B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は一般に半導体装置に係り、特に多層配線構造を有する半導体装置およびその製造に関する。 The present invention generally relates to semiconductor devices, and more particularly to a semiconductor device having a multilayer wiring structure and its manufacture.
今日の半導体集積回路装置においては、共通基板上に莫大な数の半導体素子が形成されており、これらを相互接続するために、多層配線構造が使われている。 In today's semiconductor integrated circuit devices, an enormous number of semiconductor elements are formed on a common substrate, and a multilayer wiring structure is used to interconnect them.
多層配線構造では、配線層を構成する配線パターンを埋設した層間絶縁膜が積層される。
このような多層配線構造では、下層の配線層と上層の配線層とが、層間絶縁膜中に形成されたビアコンタクトにより接続される。
In a multilayer wiring structure, an interlayer insulating film in which a wiring pattern constituting a wiring layer is embedded is laminated.
In such a multilayer wiring structure, the lower wiring layer and the upper wiring layer are connected to each other by a via contact formed in the interlayer insulating film.
特に最近の超微細化・超高速半導体装置では、多層配線構造中における信号遅延(RC遅延)の問題を軽減するため、層間絶縁膜として低誘電率膜(いわゆるlow−k膜)が使われる。これと共に、配線パターンとして、低抵抗の銅(Cu)パターンが使われている。 Particularly in recent ultra-miniaturized and ultra-high-speed semiconductor devices, a low dielectric constant film (so-called low-k film) is used as an interlayer insulating film in order to alleviate the problem of signal delay (RC delay) in a multilayer wiring structure. At the same time, a low resistance copper (Cu) pattern is used as a wiring pattern.
このようにCu配線パターンを低誘電率層間絶縁膜中に埋設した多層配線構造においては、Cu層のドライエッチングによるパターニングが困難であるため、層間絶縁膜中に予め配線溝あるいはビアホールを形成するいわゆるダマシン法あるいはデュアルダマシン法が使われる。ダマシン法あるいはデュアルダマシン法では、このようにして形成された配線溝あるいはビアホールをCu層で充填し、その後、層間絶縁膜上の余剰なCu層を化学機械研磨(CMP)により除去する。 In such a multilayer wiring structure in which the Cu wiring pattern is embedded in the low dielectric constant interlayer insulating film, patterning by dry etching of the Cu layer is difficult, so that a wiring groove or a via hole is previously formed in the interlayer insulating film. The damascene method or dual damascene method is used. In the damascene method or the dual damascene method, the wiring trench or via hole formed in this way is filled with a Cu layer, and then an excessive Cu layer on the interlayer insulating film is removed by chemical mechanical polishing (CMP).
その際、Cu配線パターンが層間絶縁膜に直接に接すると、Cu原子が層間絶縁膜中に拡散し、短絡などの問題を惹起するため、Cu配線パターンが形成される配線溝あるいはビアホールの側壁面および底面を、導電性拡散バリア、いわゆるバリアメタル膜により覆い、Cu層を、かかるバリアメタル膜上に堆積することが一般になされている。バリアメタル膜としては、一般的にタンタル(Ta)やチタン(Ti)、タングステン(W)などの高融点金属、あるいはこれら高融点金属の導電性窒化物が用いられる。
図1A〜図1Gは、典型的なダマシン法によるCu配線パターンの形成例を示す。 1A to 1G show examples of forming a Cu wiring pattern by a typical damascene method.
図1Aを参照するに、図示を省略した基板上には層間絶縁膜11が形成されており、前記層間絶縁膜11上には、開口部12Aを有するハードマスクパターン12が形成され、図1Bに示す構造が得られる。 Referring to FIG. 1A, an interlayer insulating film 11 is formed on a substrate (not shown). A hard mask pattern 12 having an opening 12A is formed on the interlayer insulating film 11, and FIG. The structure shown is obtained.
次に前記層間絶縁膜11が前記ハードマスクパターン12をマスクにパターニングされ、前記層間絶縁膜11中には、前記開口部12Aに対応して、配線溝あるいはビアホールとなる凹部11Aが形成され、図1Cに示す構造が得られる。 Next, the interlayer insulating film 11 is patterned using the hard mask pattern 12 as a mask. In the interlayer insulating film 11, a recess 11A serving as a wiring groove or a via hole is formed corresponding to the opening 12A. The structure shown in 1C is obtained.
次に、前記図1Cの構造上に導電性拡散障壁膜13を、典型的にはスパッタにより、前記導電性拡散障壁膜13が前記ハードマスクパターン12、および前記凹部11Aの側壁面および底面を連続して覆うように形成し、図1Dに示す構造を得る。 Next, the conductive diffusion barrier film 13 is continuously formed on the structure of FIG. 1C, typically by sputtering, so that the conductive diffusion barrier film 13 continues the hard mask pattern 12 and the side wall surface and bottom surface of the recess 11A. Then, the structure shown in FIG. 1D is obtained.
さらに前記図1Dの構造上にCu層14を、スパッタ法および電解メッキ法により、前記Cu層14が前記導電性拡散障壁膜13を、前記ハードマスクパターン12を覆う部分および前記凹部11Aの側壁面および底面を覆う部分を、前記凹部11Aを充填して覆うように形成し、図1Eの構造を得る。 Further, a Cu layer 14 is formed on the structure of FIG. 1D by sputtering and electrolytic plating, and the Cu layer 14 covers the conductive diffusion barrier film 13, the portion covering the hard mask pattern 12, and the side wall surface of the recess 11A. And the part which covers a bottom face is formed so that the said recessed part 11A may be filled and covered, and the structure of FIG. 1E is obtained.
次に、前記図1Dの構造におけるCu層14を、その下の導電性拡散障壁膜13まで含め、前記ハードマスクパターン12が露出するまで、化学機械研磨(CMP)法により除去し、前記開口部12Aを、前記導電性拡散障壁膜13を介してCuパターン14Aにより充填した図1Fに示す構造を得る。 Next, the Cu layer 14 in the structure of FIG. 1D is removed by a chemical mechanical polishing (CMP) method until the hard mask pattern 12 is exposed, including the conductive diffusion barrier film 13 thereunder, and the openings. The structure shown in FIG. 1F in which 12A is filled with the Cu pattern 14A through the conductive diffusion barrier film 13 is obtained.
さらに前記図1Fの構造上に、前記Cu配線パターン14Aおよびハードマスクパターン12を覆うように、絶縁性拡散障壁膜(キャップ膜)15を形成し、さらにその上に次の層間絶縁膜16を形成することにより、図1Gの構造を得る。 Further, an insulating diffusion barrier film (cap film) 15 is formed on the structure of FIG. 1F so as to cover the Cu wiring pattern 14A and the hard mask pattern 12, and a next interlayer insulating film 16 is formed thereon. By doing so, the structure of FIG. 1G is obtained.
このようにして得られたCu配線パターン14Aを含む配線構造ないし多層配線構造では、Cu配線パターン14AからのCu原子の層間絶縁膜11中への拡散が、導電性拡散障壁膜13およびキャップ膜15により阻止され、Cu原子が層間絶縁膜11あるいは16中に拡散することにより生じる配線の短絡やリーク電流の発生の問題が回避される。 In the wiring structure or multilayer wiring structure including the Cu wiring pattern 14A thus obtained, the diffusion of Cu atoms from the Cu wiring pattern 14A into the interlayer insulating film 11 is caused by the conductive diffusion barrier film 13 and the cap film 15. The problem of short circuit of wiring and generation of leakage current caused by diffusion of Cu atoms into the interlayer insulating film 11 or 16 is avoided.
一方、このような構造では、前記キャップ層15はSiCやSiNなどの絶縁層であるため、金属であるCu配線パターン14Aとの界面に欠陥が生じることは避けられず、その結果、特に前記Cu配線パターン14Aに通電される場合、前記Cu配線パターン14A中のCu原子が、このような界面を伝って、例えば図2に示すようにCu配線パターンの外にまでエレクトロマイクグレーションやストレスマイグレーションにより拡散する恐れがある。このようなCu原子が、前記層間絶縁膜11中に形成された隣接する同様なCu配線パターンに到達すると、リーク電流が発生してしまう。 On the other hand, in such a structure, since the cap layer 15 is an insulating layer such as SiC or SiN, it is inevitable that defects occur at the interface with the Cu wiring pattern 14A that is a metal. When the wiring pattern 14A is energized, Cu atoms in the Cu wiring pattern 14A travel along such an interface, for example, as shown in FIG. 2, to the outside of the Cu wiring pattern by electromigration or stress migration. There is a risk of spreading. When such Cu atoms reach an adjacent similar Cu wiring pattern formed in the interlayer insulating film 11, a leakage current is generated.
また前記凹部11Aを形成する際にハードマスクパターン12を使わず、レジストパターンを使った場合には、前記ハードマスクパターン12は存在せず、前記Cu原子は前記界面から、直接に層間絶縁膜11中へと拡散してしまう。 Further, when the resist pattern is used instead of the hard mask pattern 12 when forming the recess 11A, the hard mask pattern 12 does not exist, and the Cu atoms are directly connected to the interlayer insulating film 11 from the interface. It spreads inside.
一の側面によれば半導体装置は、基板と、前記基板上に形成され、側壁面と底面とにより画成された凹部を有する絶縁膜と、前記側壁面のうち、前記側壁面の上端部を含む上側の第1の部分を、前記凹部の底面、および前記凹部の側壁面のうち、前記第1の部分よりも下側の第2の部分において、前記絶縁膜が露出するように覆う金属膜と、前記凹部の側壁面と底面とを連続的に覆い、かつ前記側壁面のうち前記第1の部分においては、前記金属膜をも覆う第1の拡散障壁膜と、前記凹部を前記第1の拡散障壁膜を介して充填する銅配線パターンと、前記絶縁膜上において、前記銅配線パターンの表面を覆う絶縁性の第2の拡散障壁膜と、前記銅配線パターンと前記第2の拡散障壁膜との界面に形成された金属元素の濃集領域と、を備え、前記金属元素の濃集領域は、前記金属膜を構成する金属元素を、前記銅配線パターン中よりも高い濃度で含み、前記金属元素は、チタン,マンガン,ジルコニウムおよびアルミニウムよりなる群から選ばれ、前記第1の拡散障壁膜は、タンタル膜、マンガン膜、窒化タンタル膜および窒化チタン膜よりなる群から選ばれ、前記第2の拡散障壁膜は、シリコンを含む炭化物膜または窒化物膜である。 According to one aspect, a semiconductor device includes a substrate, an insulating film formed on the substrate and having a recess defined by a sidewall surface and a bottom surface, and an upper end portion of the sidewall surface among the sidewall surfaces. A metal film that covers an upper first portion including the second insulating film so that the insulating film is exposed in a second portion below the first portion of the bottom surface of the concave portion and the side wall surface of the concave portion. A first diffusion barrier film that continuously covers the side wall surface and the bottom surface of the recess, and that covers the metal film in the first portion of the side wall surface; A copper wiring pattern filled via a diffusion barrier film, an insulating second diffusion barrier film covering the surface of the copper wiring pattern on the insulating film, the copper wiring pattern and the second diffusion barrier A concentrated region of metal elements formed at the interface with the film, and Enrichment region of the metal element, a metal element forming the metal film, seen containing a higher concentration than the copper wiring pattern in the metal element is selected from titanium, manganese, from the group consisting of zirconium and aluminum, The first diffusion barrier film is selected from the group consisting of a tantalum film, a manganese film, a tantalum nitride film, and a titanium nitride film, and the second diffusion barrier film is a carbide film or nitride film containing silicon .
他の側面によれば半導体装置の製造方法は、絶縁膜中に凹部を形成する工程と、前記凹部の側壁面に金属膜を、前記金属膜が前記側壁面のうち、前記側壁面の上端部を含む上側の第1の部分を覆い、前記凹部の底面、および前記凹部の側壁面のうち、前記第1の部分よりも下側の第2の部分においては前記絶縁膜が露出するように堆積する工程と、前記絶縁膜上に、前記凹部の側壁面および底面を連続的に覆って第1の拡散障壁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に銅層を堆積し、前記凹部を、前記第1の拡散障壁膜を介して前記銅層により充填する工程と、前記絶縁膜上の銅層を除去し、前記凹部中に、前記銅層により、銅パターンを形成する工程と、前記絶縁膜上に、前記銅パターンの上面に接して、絶縁性の第2の拡散障壁膜を形成する工程と、前記銅層を加熱処理し、前記金属膜を構成する金属元素を、前記銅パターンと前記第2の拡散障壁膜との界面に濃集させる工程と、を含み、前記金属元素は、チタン,マンガン,ジルコニウムおよびアルミニウムよりなる群から選ばれ、前記第1の拡散障壁膜は、タンタル膜、マンガン膜、窒化タンタル膜および窒化チタン膜よりなる群から選ばれ、前記第2の拡散障壁膜は、シリコンを含む炭化物膜または窒化物膜である。 The method of manufacturing a semiconductor device according to another aspect includes the steps of forming a recess in the insulation Enmaku, the metal film on the side wall surface of the concave portion, wherein the metal film is of said side wall, said side wall The upper first portion including the upper end portion is covered, and the insulating film is exposed in the second portion below the first portion of the bottom surface of the recess and the side wall surface of the recess. depositing, before Kize' edge film, forming a first diffusion barrier layer covering the sidewall surface and bottom surface of the concave portion continuously, a copper layer before Kize' edge film deposited, the concave portion, and the step of filling by the copper layer through the first diffusion barrier layer, before removing the copper layer on Kize' border membranes in the recess, by the copper layer a step of forming a copper pattern, before Kize' edge film, in contact with an upper surface of the copper pattern, to form a second diffusion barrier layer of insulating A step, heat treating the copper layer, the metal element forming the metal film, seen including and a step of rich fraction at the interface between the copper pattern and the second diffusion barrier layer, wherein the metal element The first diffusion barrier film is selected from the group consisting of a tantalum film, a manganese film, a tantalum nitride film, and a titanium nitride film, and the second diffusion barrier film is selected from the group consisting of titanium, manganese, zirconium, and aluminum. The film is a carbide film or nitride film containing silicon .
前記第1および第2の側面によれば、凹部を充填するCu配線パターンには、前記Cu配線パターンを覆う絶縁性の拡散障壁層との界面に沿って、前記開口部側壁面の上部に形成した金属膜から拡散した金属原子が濃集した濃集領域が形成される。このような金属原子は前記界面に存在する欠陥に安定に捕獲され、前記Cu配線パターン中のCu原子がかかる欠陥を伝って前記Cu配線パターンの外部に拡散するのを抑制する。その際、金属膜を、前記層間絶縁膜が前記凹部の底面および側壁面のうち、上端部を含む上部を除いて露出するように形成することにより、Cu配線パターンの抵抗の増加を抑制する。 According to the first and second aspects, the Cu wiring pattern filling the recess is formed on the upper side wall surface of the opening along the interface with the insulating diffusion barrier layer covering the Cu wiring pattern. A concentrated region is formed in which metal atoms diffused from the deposited metal film are concentrated. Such metal atoms are stably trapped by the defects present at the interface, and the Cu atoms in the Cu wiring pattern are prevented from diffusing outside the Cu wiring pattern through the defects. At this time, the metal film is formed so that the interlayer insulating film is exposed except for the upper portion including the upper end portion of the bottom surface and the side wall surface of the recess, thereby suppressing an increase in resistance of the Cu wiring pattern.
[第1の実施形態]
本発明者は本発明の基礎となる研究において、Cu配線中に分布する元素の詳細な分析を実施した。以下、この研究を説明する。
[First Embodiment]
The present inventor conducted a detailed analysis of elements distributed in the Cu wiring in the research which is the basis of the present invention. The following describes this study.
図3は、前記研究において作製したCu配線パターンの試料20の構成を示す。 FIG. 3 shows the configuration of the sample 20 of the Cu wiring pattern produced in the above research.
図3を参照するに前記試料20は、100nmの膜厚の熱酸化膜よりなるシリコン酸化膜22を有するシリコン基板21上に形成されており、前記シリコン酸化膜22上には低誘電率膜(いわゆるlow−K膜)、より具体的には、SiOCよりなる層間絶縁膜23が、約500nmの膜厚で形成されている。前記層間絶縁膜23上には膜厚が例えば50nmの炭化シリコン(SiC)よりなるハードマスク層24が、例えばプラズマCVD法により形成されており、前記層間絶縁膜23中には凹部23が、前記ハードマスク層24をマスクにしたドライエッチングにより、3000nmの幅および800nmの深さで形成されている。 Referring to FIG. 3, the sample 20 is formed on a silicon substrate 21 having a silicon oxide film 22 made of a thermal oxide film having a thickness of 100 nm, and a low dielectric constant film (on the silicon oxide film 22). A so-called low-K film), more specifically, an interlayer insulating film 23 made of SiOC is formed with a film thickness of about 500 nm. A hard mask layer 24 made of silicon carbide (SiC) having a thickness of, for example, 50 nm is formed on the interlayer insulating film 23 by, for example, a plasma CVD method, and the recess 23 is formed in the interlayer insulating film 23. It is formed with a width of 3000 nm and a depth of 800 nm by dry etching using the hard mask layer 24 as a mask.
さらに前記図3の試料20では、前記凹部23Tの側壁面および底面を連続的に覆ってチタン(Ti)よりなる金属膜25が、前記凹部23Tの断面形状に整合した断面形状および約20nmの膜厚で、形成されており、前記金属膜25上には、前記凹部23Tの側壁面および底面を連続的に覆って、さらにタンタル(Ta)または窒化タンタル(TaN)よりなる第1の拡散障壁膜26が、前記金属膜25の断面形状に整合した形状および約10nmの膜厚で形成されている。前記金属膜25および拡散障壁膜26は、スパッタ法により形成している。 Further, in the sample 20 of FIG. 3, the metal film 25 made of titanium (Ti) continuously covering the side wall surface and the bottom surface of the recess 23T has a cross-sectional shape matched to the cross-sectional shape of the recess 23T and a film of about 20 nm. A first diffusion barrier film made of tantalum (Ta) or tantalum nitride (TaN) is formed on the metal film 25 so as to continuously cover the side wall surface and the bottom surface of the recess 23T. 26 is formed with a shape matching the cross-sectional shape of the metal film 25 and a film thickness of about 10 nm. The metal film 25 and the diffusion barrier film 26 are formed by sputtering.
前記凹部23Tは、前記第1の拡散障壁層26を介してCuパターン27により充填されており、前記Cuパターン27の上面は、前記ハードマスク層24を覆って例えば50nmの膜厚に形成された、SiCよりなる絶縁性の第2の拡散障壁膜28により覆われている。前記Cuパターン27は、スパッタ法によりCuシード層を形成し、さらに電解メッキ法によりその上にCu層を形成した後、前記Cu層を前記ハードマスク層24が露出するまでCMP法により除去する周知の方法により形成している。 The recess 23T is filled with a Cu pattern 27 via the first diffusion barrier layer 26, and the upper surface of the Cu pattern 27 is formed to a thickness of, for example, 50 nm so as to cover the hard mask layer 24. And an insulating second diffusion barrier film 28 made of SiC. The Cu pattern 27 is formed by forming a Cu seed layer by sputtering, forming a Cu layer thereon by electrolytic plating, and then removing the Cu layer by CMP until the hard mask layer 24 is exposed. It is formed by the method.
前記第2の拡散障壁膜28はプラズマCVD法により、350℃以上400℃以下の温度で形成され、さらに前記第2の拡散障壁膜28上には次の層間絶縁膜29が、プラズマCVD法あるいは塗布法により形成されている。なお、前記拡散障壁層28の形成の際、また前記層間絶縁膜29の形成をプラズマCVD法で行った場合にも、前記Cuパターン27は350℃〜400℃の温度範囲で熱処理を受ける。図3の試料20の場合、前記第2の拡散障壁膜28の形成後、前記Cu配線パターン27は400℃の温度で60分の熱処理を受けている。 The second diffusion barrier film 28 is formed by a plasma CVD method at a temperature of 350 ° C. or more and 400 ° C. or less, and a second interlayer insulating film 29 is formed on the second diffusion barrier film 28 by a plasma CVD method or It is formed by a coating method. Note that when the diffusion barrier layer 28 is formed and also when the interlayer insulating film 29 is formed by plasma CVD, the Cu pattern 27 is subjected to heat treatment in a temperature range of 350 ° C. to 400 ° C. In the case of the sample 20 of FIG. 3, after the formation of the second diffusion barrier film 28, the Cu wiring pattern 27 is subjected to a heat treatment at a temperature of 400 ° C. for 60 minutes.
本発明の発明者は、前記図3の構造に対し、前記Cuパターン27中におけるTiの分布を、前記図3の構造中、図4において破線Rで囲んだ断面について、高精度オージェ分析装置を用いて分析した。ただし図4中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付している。 The inventor of the present invention uses a high-precision Auger analyzer for the cross section surrounded by the broken line R in FIG. 4 in the structure of FIG. And analyzed. However, in FIG. 4, the same reference numerals are assigned to portions corresponding to the portions described above.
図4に示すように、前記断面は前記Cu配線パターン27を斜めに切断したもので、前記Cu配線パターン27の一部、前記第1の拡散障壁膜26の一部、前記金属膜25の一部、さらに第2の拡散障壁膜28の一部を含んでいる。前記Cu配線パターン27の下部は含まれていない。 As shown in FIG. 4, the cross section is obtained by obliquely cutting the Cu wiring pattern 27, a part of the Cu wiring pattern 27, a part of the first diffusion barrier film 26, and one part of the metal film 25. And a part of the second diffusion barrier film 28. The lower part of the Cu wiring pattern 27 is not included.
図5は、前記高精度オージェ分析装置により得た測定結果を示す。図5中、個々の点はTi原子の検出を表している。また図5中、線A1−A2,A3,A4は、図4に示した補助線に対応している。 FIG. 5 shows the measurement results obtained by the high-precision Auger analyzer. In FIG. 5, each point represents the detection of Ti atoms. In FIG. 5, lines A1-A2, A3, and A4 correspond to the auxiliary lines shown in FIG.
図5の結果を見ると、もともと前記Cu配線パターン27の上端部、すなわち前記Cu配線パターン27と前記第2の拡散障壁膜28膜との界面にはTiは導入していなかったにもかかわらず、前記補助線A1−A2に沿った領域においてTi原子が濃集し、高濃度に析出していることがわかる。 5 shows that originally Ti was not introduced into the upper end portion of the Cu wiring pattern 27, that is, the interface between the Cu wiring pattern 27 and the second diffusion barrier film 28. It can be seen that Ti atoms are concentrated in the region along the auxiliary line A1-A2 and are deposited at a high concentration.
一方、図5中、補助線A3,A4に沿ったTi原子の濃集は、前記金属層25に対応しているが、この部分を詳細に見ると、前記Ti原子の濃集が、破線で囲んだ部分では非常に顕著であるのに対し、前記Cu配線パターン27と第2の拡散障壁層28との界面に近い、深さが約260nmまでの領域Dでは減少していることがわかる。これらのことから、前記補助線A1−A2に沿ったTi原子の濃集は、もともと前記金属膜25に含まれていたTi原子が、前記Cu配線パターン27上端の角部を経由して、前記Cu配線パターン27と第2の拡散障壁膜28との界面に沿って、図6に概略的に示すように拡散したものと考えられる。ただし図6中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 On the other hand, in FIG. 5, the concentration of Ti atoms along the auxiliary lines A3 and A4 corresponds to the metal layer 25. When this portion is viewed in detail, the concentration of Ti atoms is indicated by a broken line. It can be seen that this is very remarkable in the enclosed portion, but decreases in the region D, which is close to the interface between the Cu wiring pattern 27 and the second diffusion barrier layer 28 and has a depth of up to about 260 nm. From these facts, the concentration of Ti atoms along the auxiliary line A1-A2 is caused by the fact that Ti atoms originally contained in the metal film 25 pass through the corners at the upper end of the Cu wiring pattern 27. It is considered that the diffusion has occurred along the interface between the Cu wiring pattern 27 and the second diffusion barrier film 28 as schematically shown in FIG. However, in FIG. 6, the part demonstrated previously is attached | subjected the same referential mark, and description is abbreviate | omitted.
なお図5中、破線で囲んだ領域のうち、色が薄い部分は、色の濃い部分に対し、より高濃度でTi原子が存在していることを示している。これらの部分では、Ti原子の濃度が、熱処理の前から大きくは変わっておらず、前記金属膜25は、熱処理前の状態に近い状態で残留していることを示している。一方、前記深さ260nmまでの領域Dでは、前記金属膜25は前記補助線A1−A2に沿って濃集したTi原子の源となっており、これに伴い、前記図6に概略的に示すように、膜厚を減少させているものと考えられる。 In FIG. 5, in a region surrounded by a broken line, a light-colored portion indicates that Ti atoms are present at a higher concentration than a dark-colored portion. In these portions, the concentration of Ti atoms has not changed significantly from before the heat treatment, indicating that the metal film 25 remains in a state close to the state before the heat treatment. On the other hand, in the region D up to the depth of 260 nm, the metal film 25 is a source of Ti atoms concentrated along the auxiliary line A1-A2, and accordingly, schematically shown in FIG. Thus, it is considered that the film thickness is reduced.
ところで、これまでのエレクトロマイグレーションの研究から、Cu配線パターン中におけるCu原子の拡散では、主として前記Cu配線パターンと、SiNやSiCN、SiCなどよりなり、前記第2の拡散障壁膜28に対応する、いわゆるキャップ膜との界面での拡散が支配的であると考えられている。以下では、前記第2の拡散障壁膜28をキャップ膜と記すことにする。前記界面では絶縁膜と金属膜が接するため、欠陥ないし空孔が多く存在し、配線構造中でも密着性が最も弱い。一方、それ以外の界面、すなわちCu配線パターンの側面や底面では、前記Cu配線パターンが、前記第1の拡散障壁膜26など、金属元素を含むいわゆるバリアメタルと接するため、空孔は少なく、界面の密着力は比較的強い。そのため、エレクトロマイグレーションによりCu原子が輸送される場合には、Cu原子の輸送は、Cu配線パターンとキャップ膜との界面の、界面密着性の最も悪い拡散パスに沿って進行しやすい。またそのため、かかる界面では、エレクトロマイグレーションの結果、空孔が集合し、ボイドが形成される確率も極めて高い。 By the way, from the study of electromigration so far, in the diffusion of Cu atoms in the Cu wiring pattern, it mainly consists of the Cu wiring pattern, SiN, SiCN, SiC, etc., and corresponds to the second diffusion barrier film 28. It is considered that diffusion at the interface with a so-called cap film is dominant. Hereinafter, the second diffusion barrier film 28 is referred to as a cap film. Since the insulating film and the metal film are in contact with each other at the interface, there are many defects or vacancies, and the adhesion is the weakest even in the wiring structure. On the other hand, on the other interface, that is, on the side surface and bottom surface of the Cu wiring pattern, the Cu wiring pattern is in contact with a so-called barrier metal containing a metal element such as the first diffusion barrier film 26, so there are few vacancies. The adhesion of is relatively strong. For this reason, when Cu atoms are transported by electromigration, the transport of Cu atoms easily proceeds along the diffusion path having the worst interface adhesion at the interface between the Cu wiring pattern and the cap film. Therefore, at such an interface, as a result of electromigration, vacancies gather and the probability that voids are formed is extremely high.
これに対し、図5のように、Cu配線パターン27とキャップ層28との界面にTi原子を析出させた構造ではCu原子が前記Ti原子によりピニングされ、かかる界面を伝って生じるCu原子の拡散を抑制することが可能である。例えば特許文献2を参照。 On the other hand, as shown in FIG. 5, in the structure in which Ti atoms are deposited at the interface between the Cu wiring pattern 27 and the cap layer 28, Cu atoms are pinned by the Ti atoms, and diffusion of Cu atoms generated through the interface is performed. Can be suppressed. See, for example, US Pat.
一方、図5のTi原子の分布からわかるように、Ti原子は前記キャップ膜28とCu配線パターン27との界面に濃集しており、前記Cu配線パターン27の内部ではほとんど検出されていていない。前記Cu配線パターン27内部におけるTi原子の濃度は、ノイズレベル以下である。このため、前記図3〜図5の配線構造において、前記金属膜25からのTi原子の拡散が、前記Cu配線パターン27の抵抗を上昇させることはない。 On the other hand, as can be seen from the distribution of Ti atoms in FIG. 5, Ti atoms are concentrated at the interface between the cap film 28 and the Cu wiring pattern 27 and are hardly detected in the Cu wiring pattern 27. . The concentration of Ti atoms in the Cu wiring pattern 27 is below the noise level. For this reason, in the wiring structures of FIGS. 3 to 5, the diffusion of Ti atoms from the metal film 25 does not increase the resistance of the Cu wiring pattern 27.
図5の測定結果は、前記図3の試料20について、その上にさらに多層配線構造を形成し、すべての製造工程を終了した後、図4に示すようにカットしたものについての結果であり、このため、前記Cu配線パターン27には、さまざまな熱処理が、トータルで400℃、1時間の熱処理に対応する熱量が加えられている。 The measurement results in FIG. 5 are the results for the sample 20 in FIG. 3, which was further cut as shown in FIG. 4 after forming a multilayer wiring structure thereon and finishing all the manufacturing steps. For this reason, the Cu wiring pattern 27 is subjected to various heat treatments at a total temperature of 400 ° C. for 1 hour.
さらに、このような実験を、前記金属膜25をTi膜からマンガン(Mn)膜、ジルコニウム(Zr)膜、アルミニウム(Al)膜に変更し、またそれぞれについて、前記第1の拡散障壁膜26を前記Ta膜からMn膜、さらに窒化Ta(TaN)膜および窒化Ti(TiN)膜に変更して繰り返し行ったところ、添加元素に多少は依存するものの、300℃〜500℃温度範囲で、1分間〜1時間程度の熱処理を行えば、同じような現象が発現し、深さが約260nmよりも浅い領域Dにおいて、金属層25中の金属原子の濃度が減少することが確認されている。なお、前記金属膜25がMn膜であり拡散障壁膜26もMn膜である場合には、拡散障壁膜26の上端部も前記金属元素の源として作用するが、膜25,26を合わせた膜厚が増大しているため、このようにMn原子が拡散をしても、拡散障壁膜26の機能が損なわれることはない。 Further, in such an experiment, the metal film 25 is changed from a Ti film to a manganese (Mn) film, a zirconium (Zr) film, and an aluminum (Al) film, and the first diffusion barrier film 26 is changed for each. When repeated from the Ta film to a Mn film, further a nitrided Ta (TaN) film and a nitrided Ti (TiN) film, depending on the additive element, the temperature ranges from 300 ° C. to 500 ° C. for 1 minute. It has been confirmed that if heat treatment is performed for about 1 hour, the same phenomenon occurs, and the concentration of metal atoms in the metal layer 25 decreases in the region D where the depth is shallower than about 260 nm. When the metal film 25 is a Mn film and the diffusion barrier film 26 is also a Mn film, the upper end portion of the diffusion barrier film 26 also functions as a source of the metal element. Since the thickness is increased, the function of the diffusion barrier film 26 is not impaired even if Mn atoms diffuse in this way.
このように、図6の配線構造20では、前記Cu配線パターン27とその表面を覆うキャップ膜28との界面の領域27DにTi原子などの金属原子の濃集が生じるため、前記界面に沿ったCu原子の拡散が抑制され、配線構造20は優れたエレクトロマイグレーション耐性およびストレスマイグレーション耐性を示す。 As described above, in the wiring structure 20 of FIG. 6, the concentration of metal atoms such as Ti atoms occurs in the region 27D at the interface between the Cu wiring pattern 27 and the cap film 28 covering the surface thereof. The diffusion of Cu atoms is suppressed, and the wiring structure 20 exhibits excellent electromigration resistance and stress migration resistance.
一方、図3あるいは図6の配線構造20では、Tiなどの金属原子の源となる金属膜25が、前記凹部23Tの側壁面および底面を連続的に覆って形成されていたが、前記金属膜25のうち、実際に金属原子の源となる部分は、先にも説明したように、深さが260nm以内の領域Dに限られる。それ以外の部分、すなわち前記凹部23Tの側壁面のうち、前記領域Dより下側の部分および前記凹部23Tの底面を覆う部分においては、前記金属膜25は配線パターン27の抵抗を増大するのに寄与するだけである。 On the other hand, in the wiring structure 20 of FIG. 3 or FIG. 6, the metal film 25 serving as a source of metal atoms such as Ti is formed so as to continuously cover the side wall surface and the bottom surface of the recess 23T. Of 25, the portion that is actually the source of metal atoms is limited to the region D having a depth of 260 nm or less, as described above. The metal film 25 increases the resistance of the wiring pattern 27 in the other portions, that is, in the portion of the side wall surface of the recess 23T that covers the portion below the region D and the bottom surface of the recess 23T. It only contributes.
図7A〜図7Hは、上記の知見を多層配線構造の形成に適用し、その際、不要な部分への金属膜の形成を抑制し、配線抵抗を低減させた第1の実施形態による多層配線構造を有するは半導体装置40の製造方法を示す。 7A to 7H show the multilayer wiring according to the first embodiment in which the above knowledge is applied to the formation of a multilayer wiring structure, and at this time, the formation of a metal film on an unnecessary portion is suppressed and the wiring resistance is reduced. A method of manufacturing the semiconductor device 40 having a structure is shown.
図7Aを参照するに、前記半導体装置40はシリコン基板41上に形成されており、前記シリコン基板41上には素子分離構造41Iにより、素子領域40Aが画成されている。 Referring to FIG. 7A, the semiconductor device 40 is formed on a silicon substrate 41, and an element region 40A is defined on the silicon substrate 41 by an element isolation structure 41I.
前記素子領域40A中には、前記シリコン基板41上にシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜、さらにはシリコン酸窒化膜などよるなるゲート絶縁膜42を介してポリシリコンゲート電極43が形成されており、前記シリコン基板41中には、前記素子領域40のうち、前記ゲート電極43の第1の側および第2の側に、それぞれn型あるいはp型のLDD領域41a,41bが、それぞれ形成されている。 In the element region 40A, a polysilicon gate electrode 43 is formed on the silicon substrate 41 via a gate insulating film 42 made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film. In the silicon substrate 41, n-type or p-type LDD regions 41 a and 41 b are respectively formed on the first side and the second side of the gate electrode 43 in the element region 40.
前記ゲート電極43の前記第1および第2の側の側壁面には、それぞれの側壁絶縁膜43W1,43W2が形成され、前記シリコン基板41中、前記素子領域40のうち、前記側壁絶縁膜43W1の前記第1の側にはp型あるいはn型のソース拡散領域41cが、また前記側壁絶縁膜43W2の前記第2の側には、p型あるいはn型のドレイン拡散領域41dが形成されている。 Side wall insulating films 43W1 and 43W2 are formed on the first and second side wall surfaces of the gate electrode 43, and the side wall insulating film 43W1 of the element region 40 in the silicon substrate 41 is formed. A p-type or n-type source diffusion region 41c is formed on the first side, and a p-type or n-type drain diffusion region 41d is formed on the second side of the sidewall insulating film 43W2.
さらに前記シリコン基板41は、前記ゲート電極43を前記側壁絶縁膜43W1,43W2も含めて覆うシリコン酸化膜44を、下地絶縁膜として形成されている。 Further, the silicon substrate 41 is formed with a silicon oxide film 44 covering the gate electrode 43 including the side wall insulating films 43W1 and 43W2 as a base insulating film.
さらに前記下地絶縁膜44上には、CVD法あるいはSOD(Spin On Deposition)法などにより、いわゆるLow−K膜45を、層間絶縁膜として形成する。図示の例では前記層間絶縁膜45としてSiOC膜を、CVD法により、250nmの膜厚に形成している。さらに前記SiOC膜45上にハードマスク膜として、SiC膜46をプラズマCVD法により例えば50nmの膜厚に形成し、図7Aの構造を得る。 Further, a so-called Low-K film 45 is formed as an interlayer insulating film on the base insulating film 44 by CVD or SOD (Spin On Deposition). In the illustrated example, a SiOC film is formed as the interlayer insulating film 45 to a thickness of 250 nm by a CVD method. Further, an SiC film 46 is formed as a hard mask film on the SiOC film 45 by a plasma CVD method to a thickness of, for example, 50 nm to obtain the structure of FIG. 7A.
次に前記図7Aの構造において、前記層間絶縁膜45のうち、形成したい配線パターンに対応する部分に、配線溝45A,45B,45Cを、前記ハードマスク層45をマスクとしたドライエッチングにより形成し、図7Bの構造を得る。図7Bの例では、前記配線パターンには、領域Aに形成される、配線幅がほぼ最小の0.1μmのものと、領域Bに形成される、配線幅がより太いものとが含まれている。 Next, in the structure of FIG. 7A, wiring grooves 45A, 45B, and 45C are formed by dry etching using the hard mask layer 45 as a mask in a portion of the interlayer insulating film 45 corresponding to the wiring pattern to be formed. 7B is obtained. In the example of FIG. 7B, the wiring patterns include those formed in the region A and having a wiring width of approximately 0.1 μm, and those formed in the region B and having a larger wiring width. Yes.
次に、前記図7Bの構造に対し、前記金属膜25に対応する金属膜47を室温のスパッタ法で成膜し、図7Cの構造を得る。図7Cの例では、ここでは前記金属膜47として、フィールド膜厚相当で5nmの膜厚のTi膜を用いている。先にも説明したように、前記金属膜47としては、他にMn膜、Zr膜、Al膜などを使うことができる。 Next, a metal film 47 corresponding to the metal film 25 is deposited on the structure of FIG. 7B by sputtering at room temperature to obtain the structure of FIG. 7C. In the example of FIG. 7C, here, a Ti film having a thickness of 5 nm corresponding to the field film thickness is used as the metal film 47. As described above, as the metal film 47, a Mn film, a Zr film, an Al film, or the like can be used.
さらに前記図7Cの構造に対し、斜め方向に、例えば前記層間絶縁膜45の主面に対して5〜75°の角度θだけ傾け、基板41を回転させながらリスパッタを行い、配線幅によらず、配線溝45A〜配線溝45Cの底面および側壁面のうち底面に近い部分に堆積された金属膜47を削り、陰になる前記配線溝45A〜配線溝45Cの肩部、すなわち配線溝の上端部を含む、好ましくは深さが260nmまでの領域Dにのみ、前記金属膜47を残す。本実施形態では前記リスパッタは、ターゲットバイアスを510W、基板バイアスを380W、高周波コイル電力を1190Wとする条件で、前記行うことができる。ただしその場合、リスパッタ条件は上記のものに限るものではなく、バリアメタルの種類や厚さ、層間膜の種類等に応じて微調整することが必要である。 Further, the structure shown in FIG. 7C is re-sputtered while rotating the substrate 41 in an oblique direction, for example, by an angle θ of 5 to 75 ° with respect to the main surface of the interlayer insulating film 45, regardless of the wiring width. The metal film 47 deposited on a portion near the bottom surface of the bottom surface and the side wall surface of the wiring groove 45A to the wiring groove 45C is shaved, and the shoulder portion of the wiring groove 45A to the wiring groove 45C that is shaded, that is, the upper end portion of the wiring groove. The metal film 47 is left only in the region D including the depth of 260 nm. In the present embodiment, the resputtering can be performed under the conditions that the target bias is 510 W, the substrate bias is 380 W, and the high-frequency coil power is 1190 W. In this case, however, the resputtering conditions are not limited to those described above, and it is necessary to make fine adjustments according to the type and thickness of the barrier metal, the type of interlayer film, and the like.
次に、前記図7Dの構造上に、Ti原子の拡散を防止するバリアメタル膜48を、前記第1の拡散障壁膜26に対応して、室温のスパッタ法で成膜し、図7Eの構造を得る。図7Eの例では、前記バリアメタル膜48として、図3あるいは図6の配線構造20と同様に、Ta膜を、フィールド膜厚で5nm相当の膜厚に形成している。 Next, a barrier metal film 48 for preventing diffusion of Ti atoms is formed on the structure shown in FIG. 7D by sputtering at room temperature corresponding to the first diffusion barrier film 26, and the structure shown in FIG. 7E. Get. In the example of FIG. 7E, as the barrier metal film 48, a Ta film is formed with a field film thickness equivalent to 5 nm, as in the wiring structure 20 of FIG. 3 or FIG.
次に、前記図7Eの構造の全面に、シード層となるCu膜(図示せず)を、室温のスパッタ法で20nmの厚さで形成する。その後、電解めっき法によりCu層49を、前記Cu層49が前記配線溝45A〜配線溝45Cを充填するように形成し、図7Fの構造を得る。その後、前記基板41およびその上の構造を150℃の温度で熱処理し、前記Cu膜49中の結晶粒を成長させる。 Next, a Cu film (not shown) serving as a seed layer is formed on the entire surface of the structure shown in FIG. 7E to a thickness of 20 nm by sputtering at room temperature. Thereafter, a Cu layer 49 is formed by electrolytic plating so that the Cu layer 49 fills the wiring grooves 45A to 45C, thereby obtaining the structure of FIG. 7F. Thereafter, the substrate 41 and the structure thereon are heat-treated at a temperature of 150 ° C. to grow crystal grains in the Cu film 49.
さらに、前記Cu層49を、CMP法により、前記ハードマスク層46が露出するまで研磨し、図7Gの構造を得る。図7Gの構造では、前記Cu層49から、前記配線溝45A〜配線溝45Cを充填するCu配線パターン49A〜Cu配線パターン49Cが形成されている。 Further, the Cu layer 49 is polished by CMP until the hard mask layer 46 is exposed to obtain the structure of FIG. 7G. In the structure of FIG. 7G, Cu wiring patterns 49A to 49C filling the wiring grooves 45A to 45C are formed from the Cu layer 49.
さらに、前記図7Gの構造上に、前記第2の拡散障壁膜28に対応するキャップ膜49としてSiC膜をプラズマCVD法により、前記Cu配線パターン49A〜Cu配線パターン49Cの上面を覆うように50nmの厚さで形成し、さらにその上に膜厚が500nmのシリコン酸化膜50と膜厚が50nmのSiN膜51を、350℃〜400℃の温度で実行されるプラズマCVD法などによって形成し、図7Hの構造を得る。 Further, on the structure of FIG. 7G, an SiC film is formed as a cap film 49 corresponding to the second diffusion barrier film 28 by plasma CVD so as to cover the upper surfaces of the Cu wiring patterns 49A to 49C. Further, a silicon oxide film 50 having a thickness of 500 nm and a SiN film 51 having a thickness of 50 nm are formed thereon by a plasma CVD method executed at a temperature of 350 ° C. to 400 ° C. The structure of FIG. 7H is obtained.
さらに、このようにして得られた図7Hの構造において、図示はしていないが、配線端部のパッド領域において前記シリコン酸化膜50をエッチングで除去し、アルミニウム(Al)膜を成膜し、さらにパターニングすることで、Cu配線パターン49A〜Cu配線パターン49Cの抵抗測定用の端子電極を形成した。このアルミニウム膜の成膜工程は、Cu配線構造の一般的な製造工程の一部であり、この工程において、前記Cu配線パターン49A〜Cu配線パターン49Cには、約400℃での熱処理が約30分間加えられる。 Further, in the structure of FIG. 7H obtained in this way, although not shown, the silicon oxide film 50 is removed by etching in the pad region at the end of the wiring, and an aluminum (Al) film is formed. By further patterning, terminal electrodes for resistance measurement of the Cu wiring patterns 49A to 49C were formed. This aluminum film forming process is a part of a general manufacturing process of a Cu wiring structure. In this process, the Cu wiring patterns 49A to 49C are subjected to a heat treatment at about 400 ° C. for about 30. Added for a minute.
このような前記絶縁膜45あるいは46の形成工程、あるいは前記端子電極の形成工程に伴う熱処理の結果、図7Hに示すように前記Cu配線パターン49A〜49Cの各々において、その上のキャップ層49との界面に沿って、前記金属膜47からのTi原子などの金属原子の拡散の結果、前記領域Dに対応して、前記Ti原子などの金属原子の濃集領域49Dが形成される。またこれに伴って、前記金属膜47の膜厚は減少する。しかし金属膜47が消失することはない。 As a result of the heat treatment accompanying the step of forming the insulating film 45 or 46 or the step of forming the terminal electrode, as shown in FIG. 7H, in each of the Cu wiring patterns 49A to 49C, As a result of diffusion of metal atoms such as Ti atoms from the metal film 47 along the interface, a concentrated region 49D of metal atoms such as Ti atoms is formed corresponding to the region D. Along with this, the thickness of the metal film 47 decreases. However, the metal film 47 does not disappear.
このように濃集領域49Dが形成された配線幅が0.1μmのCu配線パターンにつついて配線抵抗を調べたところ、以下の表1に示す結果を得た。ただし表1中、「実施例1」として示しているのは、上記図7A〜図7Hで説明したプロセスにより形成されたCu配線パターンについての抵抗値であり、一方「比較例1」として示しているのは、前記図7Cで説明したTi膜47の成膜工程および前記図7Dで説明したリスパッタ工程を省略した場合の、同じく配線幅が0.1μmのCu配線パターンの抵抗値、さらに「比較例2」として示しているのは、図7Dで説明したリスパッタ工程を省略した場合の、配線幅が0.1μmのCu配線パターンの抵抗値を示している。表1中、「実施例1」、「比較例1」、「比較例2」の抵抗値は、「実施例1」の抵抗値に対して規格化して示してある。 Thus, when the wiring resistance was investigated in the Cu wiring pattern where the wiring width in which the concentrated region 49D was formed was 0.1 μm, the results shown in Table 1 below were obtained. However, in Table 1, what is shown as “Example 1” is the resistance value for the Cu wiring pattern formed by the process described with reference to FIGS. 7A to 7H, while shown as “Comparative Example 1”. The reason is that the resistance value of the Cu wiring pattern having the same wiring width of 0.1 μm when the Ti film 47 forming process described in FIG. 7C and the resputtering process described in FIG. Example 2 ”shows the resistance value of the Cu wiring pattern having a wiring width of 0.1 μm when the resputtering step described with reference to FIG. 7D is omitted. In Table 1, the resistance values of “Example 1”, “Comparative Example 1”, and “Comparative Example 2” are normalized with respect to the resistance value of “Example 1”.
これに対し従来例2では、配線抵抗は実施例1の110%まで増大しているが、これは前記Ti膜47が配線溝45A〜配線溝45Cの側壁面および底面の全体を連続して覆っており、配線溝中におけるCu配線パターンの割合が、実施例1の場合よりも減少している効果を反映している。 On the other hand, in the conventional example 2, the wiring resistance is increased to 110% of that in the first embodiment. This is because the Ti film 47 continuously covers the entire side walls and bottom surfaces of the wiring grooves 45A to 45C. This reflects the effect that the ratio of the Cu wiring pattern in the wiring groove is smaller than that in the first embodiment.
次に、このように形成された配線幅が0.1μmのCu配線パターンについて、信頼性試験を行って配線寿命を評価したところ、以下の表2に示す結果を得た。ただし、信頼性試験は300℃の温度で、電流加速条件を3MA/cm2に設定して実施している。またその際、配線長さは1000μmとしているが、これは、いわゆるBlech長よりもはるかに長い。このため、この信頼性試験においては配線長さの効果は影響していないと考えられる。表2中、「実施例1」、「比較例1」、「比較例2」は、表1のものと同じである。また表2中、「実施例1」および「比較例2」の配線寿命は、「実施例1」の配線寿命に対して規格化して示してある。 Next, for the Cu wiring pattern thus formed having a wiring width of 0.1 μm, a reliability test was performed to evaluate the wiring life, and the results shown in Table 2 below were obtained. However, the reliability test is performed at a temperature of 300 ° C. and the current acceleration condition is set to 3 MA / cm 2 . At that time, the wiring length is 1000 μm, which is much longer than the so-called Blech length. For this reason, it is considered that the effect of the wiring length is not affected in this reliability test. In Table 2, “Example 1”, “Comparative Example 1”, and “Comparative Example 2” are the same as those in Table 1. In Table 2, the wiring life of “Example 1” and “Comparative Example 2” is shown normalized to the wiring life of “Example 1”.
上記表1および表2の結果を勘案すると、配線抵抗と信頼性の両面を鑑みて、実施例1のCu配線パターンが有利であることが結論される。 Considering the results of Table 1 and Table 2 above, it is concluded that the Cu wiring pattern of Example 1 is advantageous in view of both wiring resistance and reliability.
[第2の実施形態]
図8A〜図8Hは、デュアルダマシン法による多層配線構造の形成を含む第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す。ただし図中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。
[Second Embodiment]
8A to 8H show a method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment including formation of a multilayer wiring structure by a dual damascene method. However, in the figure, the parts described above are denoted by corresponding reference numerals, and the description thereof is omitted.
図8Aを参照するに、まず図7A〜図7Gで説明した前記第1の実施形態と同じ方法で、下層配線まで製造する。 Referring to FIG. 8A, first, the lower layer wiring is manufactured by the same method as in the first embodiment described with reference to FIGS. 7A to 7G.
次に、先に図7Hで説明したように、キャップ膜としてSiC膜51を、プラズマCVD法により、前記Cu配線パターン49A〜49Cの表面を覆うように、例えば50nmの厚さで形成し、その後、プラズマCVD法により、SiOC膜よりなるlow−K膜を、層間絶縁膜61として約550nmの膜厚に形成する。さらに前記層間絶縁膜61上に、厚さが50nmのSiC膜62を、ハードマスク層として形成し、図8Bに示す構造を得る。 Next, as described above with reference to FIG. 7H, the SiC film 51 is formed as a cap film by a plasma CVD method so as to cover the surfaces of the Cu wiring patterns 49A to 49C, for example, with a thickness of 50 nm. Then, a low-K film made of a SiOC film is formed to a thickness of about 550 nm as the interlayer insulating film 61 by plasma CVD. Further, a SiC film 62 having a thickness of 50 nm is formed as a hard mask layer on the interlayer insulating film 61, and the structure shown in FIG. 8B is obtained.
次に、前記ハードマスク層62をパターニングしてビアホールに対応する開口部を形成し、前記ハードマスク層62をマスクに前記層間絶縁膜61を前記キャップ層49が露出するまで、ドライエッチングによりエッチングし、前記層間絶縁膜61中に、図8Cに示すビアホール61Vを形成する。 Next, the hard mask layer 62 is patterned to form openings corresponding to via holes, and the interlayer insulating film 61 is etched by dry etching using the hard mask layer 62 as a mask until the cap layer 49 is exposed. A via hole 61V shown in FIG. 8C is formed in the interlayer insulating film 61.
さらに前記ハードマスク層62をパターニングして、前記層間絶縁膜61中に形成される配線溝に対応した開口部を形成し、前記ハードマスク層62をマスクに前記層間絶縁膜をドライエッチングによりエッチングし、前記層間絶縁膜61中に、図8Cに示す配線溝61Tを形成する。前記配線溝61Tのドライエッチングは、エッチング時間を制御することにより、所望の深さに到達したところで打ち切られ、その結果、図8Cに示す構造が得られる。 Further, the hard mask layer 62 is patterned to form openings corresponding to the wiring grooves formed in the interlayer insulating film 61, and the interlayer insulating film is etched by dry etching using the hard mask layer 62 as a mask. A wiring trench 61T shown in FIG. 8C is formed in the interlayer insulating film 61. The dry etching of the wiring trench 61T is terminated when the desired depth is reached by controlling the etching time, and as a result, the structure shown in FIG. 8C is obtained.
次に前記図8Cの構造上に、Ti膜63を、基板41を、前記基板に垂直な軸の回りで回転させながら角度θの斜めスパッタを行うことにより、フィールド領域における厚さが1nm〜10nmとなるように形成する。このような斜めスパッタでは、配線溝61Tの底面およびこれに続く側壁面の下部、さらにビアホール61Vの側壁面および底面における金属膜63の堆積はほとんど生じない。 Next, on the structure of FIG. 8C, the Ti film 63 is obliquely sputtered at an angle θ while rotating the substrate 41 around an axis perpendicular to the substrate, so that the thickness in the field region is 1 nm to 10 nm. It forms so that it becomes. In such oblique sputtering, the metal film 63 is hardly deposited on the bottom surface of the wiring groove 61T and the lower portion of the side wall surface following the wiring groove 61T, and further on the side wall surface and bottom surface of the via hole 61V.
斜めスパッタを行う際の角度θは、前記金属膜62が前記配線溝61Tの肩部、すなわち側壁面の上端部から260nmまでの深さDのみを覆うように最適化するのが好ましい。実際には半導体装置の多層配線構造中には、異なった幅の配線溝が多数形成されているが、前記金属膜62は、先にも図6で説明したようにTiなどの金属原子の源となるものであり、各配線溝において肩部にわずかに存在しておれば十分なので、前記角度θは、多層配線構造中の最も幅の広い配線溝において、前記金属膜63が配線溝側壁面の上端部から260nmまでの深さを覆うように最適化するのが好ましい。この場合、より幅の狭い配線溝においては、前記金属膜63は前記側壁膜の上端部から測って、260nmよりも浅い領域を覆うことになる。例えば前記配線溝61Tの幅が100nmである場合、前記角度θは69°に設定し、また前記配線溝61Tの幅が1000nmである場合には、前記角度θは14°に設定するのが好ましい。上記金属膜62のスパッタは室温で実行することができる。 The angle θ when performing oblique sputtering is preferably optimized so that the metal film 62 covers only the depth D from the shoulder of the wiring groove 61T, that is, the upper end of the side wall surface to 260 nm. Actually, a large number of wiring grooves having different widths are formed in the multilayer wiring structure of the semiconductor device. However, the metal film 62 is a source of metal atoms such as Ti as described above with reference to FIG. It is sufficient that the wiring groove is slightly present at the shoulder in each wiring groove. Therefore, the angle θ is the width of the widest wiring groove in the multilayer wiring structure. It is preferable to optimize so as to cover a depth of 260 nm from the upper end of the substrate. In this case, in the narrower wiring trench, the metal film 63 covers a region shallower than 260 nm as measured from the upper end of the sidewall film. For example, when the width of the wiring groove 61T is 100 nm, the angle θ is preferably set to 69 °, and when the width of the wiring groove 61T is 1000 nm, the angle θ is preferably set to 14 °. . Sputtering of the metal film 62 can be performed at room temperature.
なお、配線レイアウトによっては、トレンチの底部に近い側面や底部にも堆積するのが回避できない場合も考えられるが、そのような場合には、先に図7Dで説明したのと同様に、リスパッタを行ってこれらの余計な膜を取り除くことが有効である。 Depending on the wiring layout, it may be unavoidable that deposition on the side surface or bottom near the bottom of the trench is unavoidable. In such a case, resputtering is performed in the same manner as described above with reference to FIG. 7D. It is useful to go and remove these extra films.
先にも述べたように、前記金属膜63はTi膜に限定されるものではなく、Mn膜、Zr膜、Al膜などを使うことも可能である。 As described above, the metal film 63 is not limited to a Ti film, and an Mn film, a Zr film, an Al film, or the like can be used.
その後は、先の実施形態と全く同じ工程を行う。 Thereafter, the same process as in the previous embodiment is performed.
すなわち、前記金属膜63上に前記配線溝61Tおよびビアホール61Vの側壁面と底面を連続して覆うように、拡散障壁膜64としてTa膜を室温でのスパッタ法により、例えば10nmの膜厚で形成し、図8Eの構造を得る。なお前記拡散障壁膜64はTa膜に限定されるものではなく、例えばMn膜などの他の金属膜や、TaN膜やTiN膜など、高融点金属の導電性窒化物膜であってもよい。 That is, a Ta film is formed as a diffusion barrier film 64 with a film thickness of, for example, 10 nm on the metal film 63 by sputtering at room temperature so as to continuously cover the sidewalls and bottom surfaces of the wiring trench 61T and the via hole 61V. Thus, the structure of FIG. 8E is obtained. The diffusion barrier film 64 is not limited to the Ta film, and may be another metal film such as a Mn film, or a conductive nitride film of a refractory metal such as a TaN film or a TiN film.
さらに前記図8Eの構造上にCuシード層(図示せず)を室温でのスパッタ法により、20nmの膜厚で全面に形成し、さらに前記Cuシード層上にCu層65を、電解めっき法により、前記配線溝61Tおよびビアホール61Vを充填するように、形成する。これにより、図8Fに示す構造が得られる。 Further, a Cu seed layer (not shown) is formed on the entire surface with a film thickness of 20 nm on the structure of FIG. 8E by sputtering at room temperature, and a Cu layer 65 is formed on the Cu seed layer by electrolytic plating. The wiring trench 61T and the via hole 61V are formed so as to be filled. Thereby, the structure shown in FIG. 8F is obtained.
さらに前記図8Fの構造に対し、150℃の温度で熱処理を実施し、前記Cu層65中においてCu結晶に粒成長をさせた後、前記Cu層65をCMP法により、前記ハードマスク膜62が露出するまで研磨し、図8Gに示すように、前記配線溝61TをCu配線パターン65Tが充填し、また前記ビアホール61Vを前記Cu配線パターン65Tから延出するCuビアプラグ65Vが充填する構造を得る。前記ビアプラグ65Vはその下のCu配線パターン48と、前記拡散障壁膜64を介して電気的にコンタクトしている。 Further, the structure of FIG. 8F is subjected to a heat treatment at a temperature of 150 ° C. to grow grains of Cu crystals in the Cu layer 65, and then the hard mask film 62 is formed on the Cu layer 65 by CMP. As shown in FIG. 8G, the wiring groove 61T is filled with the Cu wiring pattern 65T, and the via hole 61V is filled with the Cu via plug 65V extending from the Cu wiring pattern 65T. The via plug 65V is in electrical contact with the underlying Cu wiring pattern 48 via the diffusion barrier film 64.
さらに前記図8Gの構造上に、前記Cu配線パターン65Tを覆って例えばSiCよりなるキャップ膜66をプラズマCVD法によりCuの拡散防止膜として、例えば50nmの厚さで形成し、さらにその上に、膜厚が500nmのシリコン酸化膜67と膜厚が50nmのシリコン窒化膜68を、絶縁膜として形成し、図8Hに示す多層配線構造を得る。 Further, on the structure of FIG. 8G, a cap film 66 made of, for example, SiC and covering the Cu wiring pattern 65T is formed as a Cu diffusion preventing film with a thickness of, for example, 50 nm by plasma CVD, and further, A silicon oxide film 67 having a thickness of 500 nm and a silicon nitride film 68 having a thickness of 50 nm are formed as insulating films to obtain a multilayer wiring structure shown in FIG. 8H.
さらにその後、図示していないが、所定のパッド領域に対応して前記絶縁膜67,68をエッチングで除去し、前記パッド領域にアルミニウム膜を形成し、これをさらにパターニングすることで、パッド電極を形成する。 Further, although not shown, the insulating films 67 and 68 corresponding to a predetermined pad region are removed by etching, an aluminum film is formed in the pad region, and this is further patterned to form a pad electrode. Form.
前記膜66〜68の形成工程、および前記パッド電極の形成工程は、一般的なCu配線構造の形成工程の一部であるが、これらの工程を総合すると、ほぼ400℃の熱処理が45分間加えられていることになる。その結果、前記Cu配線パターン65Tの表面には、前記金属膜63から拡散したTi原子など金属原子の濃集領域65Dが、前記能粒領域49Dと同様に形成され、前記Cu配線パターン65Tとキャップ膜66との界面に沿ったCu原子の拡散を抑制する。また本実施形態でも、前記金属膜63は前記配線溝61Tの側壁面の肩部、すなわち上端部を含む、限られた深さDの範囲に限られているため、前記配線溝61Tを充填するCu配線パターン65Tの割合の減少はわずかで、配線抵抗の増大は最小限に止められる。 The formation process of the films 66 to 68 and the formation process of the pad electrode are a part of the formation process of a general Cu wiring structure. When these processes are combined, a heat treatment at about 400 ° C. is applied for 45 minutes. Will be. As a result, a concentrated region 65D of metal atoms such as Ti atoms diffused from the metal film 63 is formed on the surface of the Cu wiring pattern 65T in the same manner as the active particle region 49D. The diffusion of Cu atoms along the interface with the film 66 is suppressed. Also in this embodiment, the metal film 63 is limited to a limited depth D range including the shoulder portion of the side wall surface of the wiring groove 61T, that is, the upper end portion, and therefore fills the wiring groove 61T. The decrease in the proportion of the Cu wiring pattern 65T is slight, and the increase in wiring resistance is minimized.
例えば本実施形態においてこのように形成されたCu配線パターン65Tの配線抵抗を測定したところ、前記図8Dに示すTiの斜めスパッタを実施しなかった場合と比べて約1%高いことが確認された。しかし、前記第1の実施形態の実施例1と同じ条件で行ったエレクトロマイグレーション試験では、本発明のCu配線パターン65Tの配線寿命は、前記金属膜63の形成を行わなかったものの配線寿命より約4.5倍長いことが確認された。 For example, when the wiring resistance of the Cu wiring pattern 65T formed in this way is measured in this embodiment, it is confirmed that the wiring resistance is about 1% higher than that when the Ti oblique sputtering shown in FIG. 8D is not performed. . However, in the electromigration test performed under the same conditions as in Example 1 of the first embodiment, the wiring life of the Cu wiring pattern 65T of the present invention is about the wiring life of the metal film 63 that was not formed. It was confirmed to be 4.5 times longer.
このように、本実施形態による多層配線構造は、配線抵抗の上昇をおぎなって余りある信頼性向上が得られることがわかった。 As described above, it has been found that the multilayer wiring structure according to the present embodiment can improve the reliability much after the increase of the wiring resistance.
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
(付記1)
基板と、
前記基板上に形成され、側壁面と底面とにより画成された凹部を有する絶縁膜と、
前記側壁面のうち、前記側壁面の上端部を含む上側の第1の部分を、前記凹部の底面、および前記凹部の側壁面のうち、前記第1の部分よりも下側の第2の部分において、前記絶縁膜が露出するように覆う金属膜と、
前記凹部の側壁面と底面とを連続的に覆い、かつ前記側壁面のうち前記第1の部分においては、前記金属膜をも覆う第1の拡散障壁膜と、
前記凹部を前記第1の拡散障壁膜を介して充填する銅配線パターンと、
前記絶縁膜上において、前記銅配線パターンの表面を覆う絶縁性の第2の拡散障壁膜と、
前記銅配線パターンと前記第2の拡散障壁膜との界面に形成された金属元素の濃集領域と、
を備え、
前記金属元素の濃集領域は、前記金属層を構成する金属元素を、前記銅配線パターン中よりも高い濃度で含むことを特徴とする半導体装置。
(付記2)
前記金属元素は、チタン,マンガン,ジルコニウムおよびアルミニウムよりなる群から選ばれることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記3)
前記金属膜は、前記側壁面のうち、前記上端部から前記底面方向に、260nm以内の範囲を覆うことを特徴とする付記2記載の半導体装置。
(付記4)
前記金属元素はチタンであることを特徴とする付記3記載の半導体装置。
(付記5)
前記第2の拡散障壁膜は、シリコンを含む炭化物膜または窒化物膜であることを特徴とする付記1〜付記4のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記6)
前記第1の拡散障壁膜は、タンタルまたはマンガンを含む金属膜よりなることを特徴とする付記1〜付記5のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記7)
前記第1の拡散障壁膜は、タンタルまたはチタンの窒化物膜であることを特徴とする付記1〜付記5のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記8)
層間絶縁膜中に凹部を形成する工程と、
前記開口部の側壁面に金属膜を、前記金属膜が前記側壁面のうち、前記側壁面の上端部を含む上側の第1の部分を覆い、前記凹部の底面、および前記凹部の側壁面のうち、前記第1の部分よりも下側の第2の部分においては前記絶縁膜が露出するように堆積する工程と、
前記層間絶縁膜上に、前記開口部の側壁面および底面を連続的に覆って第1の拡散障壁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に銅層を堆積し、前記開口部を、前記拡散防止膜を介して前記銅層により充填する工程と、
前記層間絶縁膜上の銅層を除去し、前記開口部中に、前記銅層により、銅パターンを形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に、前記銅パターンの上面に接して、絶縁性の第2の拡散障壁膜を形成する工程と、
前記銅層を加熱処理し、前記金属膜を構成する金属元素を、前記銅パターンと前記第2の拡散障壁膜との界面に濃集させる工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記9)
前記金属膜は、前記側壁面のうち、前記上端部から前記底面方向に、260nm以内の範囲を覆うことを特徴とする付記8記載の半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記金属元素はチタンであることを特徴とする付記9記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記熱処理は、350℃以上、400℃以下の温度で実行されることを特徴とする付記8〜付記10のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
前記金属膜を形成する工程は、前記金属膜を、前記開口部の側壁面および底面を連続的に覆って形成する工程と、前記金属膜を、前記開口部の底面および前記第2の部分から除去する工程と、を含むことを特徴とする付記8〜付記11のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記金属膜を形成する工程はスパッタ法により実行され、前記スパッタ法は、前記金属膜が前記側壁面のうち前記第1の領域に堆積し、前記第2の部分および底面には、前記上端部の陰になって堆積しないように、前記層間絶縁膜の主面に対して斜め方向に実行されることを特徴とする付記8〜付記11のうち、いずれか項記載の半導体装置の製造方法。
As mentioned above, although this invention was described about preferable embodiment, this invention is not limited to this specific embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the summary described in the claim.
(Appendix 1)
A substrate,
An insulating film formed on the substrate and having a recess defined by a side wall surface and a bottom surface;
Among the side wall surfaces, an upper first portion including an upper end portion of the side wall surface is defined as a bottom surface of the recess and a second portion below the first portion among the side wall surfaces of the recess. A metal film covering the insulating film so as to be exposed;
A first diffusion barrier film that continuously covers the side wall surface and the bottom surface of the recess, and in the first part of the side wall surface, also covers the metal film;
A copper wiring pattern that fills the recess through the first diffusion barrier film;
An insulating second diffusion barrier film covering the surface of the copper wiring pattern on the insulating film;
A concentrated region of metal elements formed at the interface between the copper wiring pattern and the second diffusion barrier film;
With
The concentrated region of the metal element includes a metal element constituting the metal layer at a higher concentration than in the copper wiring pattern.
(Appendix 2)
The semiconductor device according to claim 1, wherein the metal element is selected from the group consisting of titanium, manganese, zirconium, and aluminum.
(Appendix 3)
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the metal film covers a range of 260 nm or less from the upper end portion toward the bottom surface of the side wall surface.
(Appendix 4)
The semiconductor device according to appendix 3, wherein the metal element is titanium.
(Appendix 5)
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second diffusion barrier film is a carbide film or a nitride film containing silicon.
(Appendix 6)
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first diffusion barrier film is made of a metal film containing tantalum or manganese.
(Appendix 7)
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first diffusion barrier film is a nitride film of tantalum or titanium.
(Appendix 8)
Forming a recess in the interlayer insulating film;
A metal film is formed on a side wall surface of the opening, and the metal film covers an upper first portion of the side wall surface including an upper end portion of the side wall surface, a bottom surface of the concave portion, and a side wall surface of the concave portion. A step of depositing the insulating film so as to expose the second portion below the first portion; and
Forming a first diffusion barrier film on the interlayer insulating film so as to continuously cover the side wall surface and the bottom surface of the opening;
Depositing a copper layer on the interlayer insulating film, and filling the opening with the copper layer through the diffusion prevention film;
Removing the copper layer on the interlayer insulating film and forming a copper pattern with the copper layer in the opening;
Forming an insulating second diffusion barrier film on the interlayer insulating film in contact with the upper surface of the copper pattern;
Heat-treating the copper layer, and concentrating a metal element constituting the metal film at an interface between the copper pattern and the second diffusion barrier film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
(Appendix 9)
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the metal film covers a range of 260 nm or less in the side wall surface from the upper end portion toward the bottom surface.
(Appendix 10)
The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 9, wherein the metal element is titanium.
(Appendix 11)
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 350 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
(Appendix 12)
The step of forming the metal film includes: forming the metal film continuously covering the side wall surface and the bottom surface of the opening; and forming the metal film from the bottom surface of the opening and the second portion. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Note 8 to Supplementary Note 11, including a step of removing.
(Appendix 13)
The step of forming the metal film is performed by a sputtering method, wherein the metal film is deposited on the first region of the side wall surface, and the upper end portion is formed on the second portion and the bottom surface. 12. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 8 to 11, wherein the method is performed in an oblique direction with respect to a main surface of the interlayer insulating film so as not to be deposited in the shade.
11,16,23,29,45,61 層間絶縁膜
11A,23T 凹部
12,24,46,62 ハードマスクパターン
12A 開口部
13,26,48,64 導電性拡散障壁膜
14,49,65 Cu層
15,28,49 絶縁性拡散障壁膜
20 半導体装置
21,41 基板
22,44,50,51,67,68 絶縁膜
25,47,63 金属膜
27D,49D 金属原子濃集領域
41A 素子領域
41a,41b LDD拡散領域
41c,41d ソース/ドレイン拡散領域
41I 素子分離領域
42 ゲート絶縁膜
43 ゲート電極
43W1,43W2 ゲート側壁絶縁膜
45A〜45C,61T 配線溝
49A〜49C,65T Cu配線パターン
61V ビアホール
65V Cuビアプラグ
11, 16, 23, 29, 45, 61 Interlayer insulating film 11A, 23T Recess 12, 24, 46, 62 Hard mask pattern 12A Opening 13, 26, 48, 64 Conductive diffusion barrier film 14, 49, 65 Cu layer 15, 28, 49 Insulating diffusion barrier film 20 Semiconductor device 21, 41 Substrate 22, 44, 50, 51, 67, 68 Insulating film 25, 47, 63 Metal film 27D, 49D Metal atom concentration region 41A Element region 41a, 41b LDD diffusion region 41c, 41d source / drain diffusion region 41I element isolation region 42 gate insulating film 43 gate electrode 43W1, 43W2 gate sidewall insulating film 45A-45C, 61T wiring groove 49A-49C, 65T Cu wiring pattern 61V via hole 65V Cu via plug
Claims (4)
前記基板上に形成され、側壁面と底面とにより画成された凹部を有する絶縁膜と、
前記側壁面のうち、前記側壁面の上端部を含む上側の第1の部分を、前記凹部の底面、および前記凹部の側壁面のうち、前記第1の部分よりも下側の第2の部分において、前記絶縁膜が露出するように覆う金属膜と、
前記凹部の側壁面と底面とを連続的に覆い、かつ前記側壁面のうち前記第1の部分においては、前記金属膜をも覆う第1の拡散障壁膜と、
前記凹部を前記第1の拡散障壁膜を介して充填する銅配線パターンと、
前記絶縁膜上において、前記銅配線パターンの表面を覆う絶縁性の第2の拡散障壁膜と、
前記銅配線パターンと前記第2の拡散障壁膜との界面に形成された金属元素の濃集領域と、
を備え、
前記金属元素の濃集領域は、前記金属膜を構成する金属元素を、前記銅配線パターン中よりも高い濃度で含み、
前記金属元素は、チタン,マンガン,ジルコニウムおよびアルミニウムよりなる群から選ばれ、
前記第1の拡散障壁膜は、タンタル膜、マンガン膜、窒化タンタル膜および窒化チタン膜よりなる群から選ばれ、
前記第2の拡散障壁膜は、シリコンを含む炭化物膜または窒化物膜であることを特徴とする半導体装置。 A substrate,
An insulating film formed on the substrate and having a recess defined by a side wall surface and a bottom surface;
Among the side wall surfaces, an upper first portion including an upper end portion of the side wall surface is defined as a bottom surface of the recess and a second portion below the first portion among the side wall surfaces of the recess. A metal film covering the insulating film so as to be exposed;
A first diffusion barrier film that continuously covers the side wall surface and the bottom surface of the recess, and in the first part of the side wall surface, also covers the metal film;
A copper wiring pattern that fills the recess through the first diffusion barrier film;
An insulating second diffusion barrier film covering the surface of the copper wiring pattern on the insulating film;
A concentrated region of metal elements formed at the interface between the copper wiring pattern and the second diffusion barrier film;
With
Enrichment region of the metal element, a metal element forming the metal film, seen containing a higher concentration than the copper wiring pattern in,
The metal element is selected from the group consisting of titanium, manganese, zirconium and aluminum,
The first diffusion barrier film is selected from the group consisting of a tantalum film, a manganese film, a tantalum nitride film, and a titanium nitride film,
The semiconductor device, wherein the second diffusion barrier film is a carbide film or a nitride film containing silicon .
前記凹部の側壁面に金属膜を、前記金属膜が前記側壁面のうち、前記側壁面の上端部を含む上側の第1の部分を覆い、前記凹部の底面、および前記凹部の側壁面のうち、前記第1の部分よりも下側の第2の部分においては前記絶縁膜が露出するように堆積する工程と、
前記絶縁膜上に、前記凹部の側壁面および底面を連続的に覆って第1の拡散障壁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に銅層を堆積し、前記凹部を、前記第1の拡散障壁膜を介して前記銅層により充填する工程と、
前記絶縁膜上の銅層を除去し、前記凹部中に、前記銅層により、銅パターンを形成する工程と、
前記絶縁膜上に、前記銅パターンの上面に接して、絶縁性の第2の拡散障壁膜を形成する工程と、
前記銅層を加熱処理し、前記金属膜を構成する金属元素を、前記銅パターンと前記第2の拡散障壁膜との界面に濃集させる工程と、
を含み、
前記金属元素は、チタン,マンガン,ジルコニウムおよびアルミニウムよりなる群から選ばれ、
前記第1の拡散障壁膜は、タンタル膜、マンガン膜、窒化タンタル膜および窒化チタン膜よりなる群から選ばれ、
前記第2の拡散障壁膜は、シリコンを含む炭化物膜または窒化物膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a recess in the insulation Enmaku,
A metal film on the side wall surface of the concave portion, of the metal film of the side wall, covering a first portion of the upper including the upper portion of the side wall surface, a bottom surface of the recess, and the side wall surface of said recess A step of depositing the insulating film so as to expose the second portion below the first portion; and
Before Kize' edge film, forming a first diffusion barrier layer covering the sidewall surface and bottom surface of the concave portion continuously,
A step of a copper layer was deposited before Kize' edge film, the concave portion is filled with the copper layer through the first diffusion barrier layer,
Before removing the copper layer on Kize' border membranes in the recess, by the copper layer, and forming a copper pattern,
Before Kize' edge film, in contact with an upper surface of the copper pattern, and forming a second diffusion barrier layer of insulation,
Heat-treating the copper layer, and concentrating a metal element constituting the metal film at an interface between the copper pattern and the second diffusion barrier film;
Only including,
The metal element is selected from the group consisting of titanium, manganese, zirconium and aluminum,
The first diffusion barrier film is selected from the group consisting of a tantalum film, a manganese film, a tantalum nitride film, and a titanium nitride film,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second diffusion barrier film is a carbide film or a nitride film containing silicon .
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