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JPH11186261A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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Publication number
JPH11186261A
JPH11186261A JP35039397A JP35039397A JPH11186261A JP H11186261 A JPH11186261 A JP H11186261A JP 35039397 A JP35039397 A JP 35039397A JP 35039397 A JP35039397 A JP 35039397A JP H11186261 A JPH11186261 A JP H11186261A
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JP
Japan
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layer
heat treatment
film
buried layer
wiring layer
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Application number
JP35039397A
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Japanese (ja)
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JP3500564B2 (en
Inventor
Hideo Takagi
英雄 高木
Shigetaka Uji
重孝 宇治
Koji Endo
浩二 遠藤
Nobuhiro Misawa
信裕 三沢
Masako Mizushima
賢子 水島
Satoshi Murakami
聡 村上
Hobbes Anthony
ホッブス アンソニー
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP35039397A priority Critical patent/JP3500564B2/en
Publication of JPH11186261A publication Critical patent/JPH11186261A/en
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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance a wiring layer structure in reliability in the manufacture of a semiconductor device, by a method wherein voids are prevented from being generated in a Cu buried wiring layer or a Cu plug, and the Cu buried wiring layer or the Cu plug is enhanced in grain size so as to improve resistance to electromigration. SOLUTION: A recess 3 is provided to an insulating layer 2 formed on a board 1 so as to provide a wiring layer or a plug into it, a Cu layer 5 is filled in the recess 3 through the intermediary of a base conductive film 4, a disused part of the Cu layer 5 is removed through a chemical mechanical polishing method for the formation of a Cu buried layer 6, and then impurities are removed from the Cu buried layer 6 through a thermal treatment.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に関するものであり、特に、Cuメッキ層をCMP
(Chemical Mechanical Poli
shing)法によって凹部内に埋め込んだ埋込配線層
のエレクトロマイグレーション耐性を向上させる熱処理
工程に特徴のある半導体装置の製造方法に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for forming a Cu plating layer by CMP.
(Chemical Mechanical Poli
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device characterized by a heat treatment step of improving the electromigration resistance of a buried wiring layer buried in a recess by a shing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体装置の配線層としては、主
にAl合金による配線層が用いられているが、配線層の
微細化に伴う抵抗の増加、及び、配線層の寿命の問題を
解決するために、Alより低抵抗で且つエレクトロマイ
グレーション耐性に優れたCuの使用が検討されてい
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, as an interconnect layer of a semiconductor device, an interconnect layer mainly made of an Al alloy has been used. Therefore, the use of Cu, which has lower resistance than Al and excellent electromigration resistance, has been studied.

【0003】この様なCuを用いた微細な配線層を形成
する場合、微細加工に必要なドライエッチング方法にお
いて、Cuを下地となる絶縁膜に対して高い選択比でエ
ッチングする適当なガスが存在しないため、ダマシン
(Damascene)法によって埋込配線層構造を形
成することが主流になっている。
In the case of forming such a fine wiring layer using Cu, in a dry etching method required for fine processing, there is an appropriate gas for etching Cu with a high selectivity to an insulating film serving as a base. For this reason, forming a buried wiring layer structure by a damascene method has become mainstream.

【0004】このダマシン法とは、絶縁膜に配線層用溝
或いはビアホール等の凹部を設け、全面に、電界メッキ
法、或いは、Cu(hfac)TMVS等を用いたCV
D法によって厚いCu層を堆積させたのち、CMP法を
用いて凹部以外の領域に堆積したCu層を除去して、凹
部に埋め込まれたCu埋込配線層を形成するものであ
る。なお、厚いCu層を形成する方法としては、スパッ
タリング法によってCu層を堆積させたのち、リフロー
する方法も提案されている。
[0004] The damascene method means that a concave portion such as a wiring layer groove or a via hole is provided in an insulating film, and the entire surface is subjected to an electrolytic plating method or a CV using Cu (hfac) TMVS or the like.
After depositing a thick Cu layer by the D method, the Cu layer deposited in the region other than the concave portion is removed by the CMP method to form a Cu buried wiring layer embedded in the concave portion. As a method of forming a thick Cu layer, a method of depositing a Cu layer by a sputtering method and then reflowing the Cu layer has been proposed.

【0005】この様なCu埋込配線層の歴史は浅く、未
だ顕在化していない問題が多くあり、例えば、成膜した
Cu層の中に製法に起因する不純物が含まれ、グレイン
(結晶粒)の成長が不十分であるためグレインが小さ
く、且つ、三重点が多く存在し、そのためにエレクトロ
マイグレーションに起因してCu埋込配線層の寿命が短
くなるという問題がある。
[0005] Such a Cu embedded wiring layer has a short history, and there are many problems that have not been revealed yet. For example, impurities resulting from the manufacturing method are contained in the formed Cu layer, and grains (crystal grains) are formed. There is a problem that the growth of Cu is insufficient, the grains are small, and there are many triple points, which shortens the life of the Cu embedded wiring layer due to electromigration.

【0006】例えば、電界メッキ法によってCu層を堆
積させた場合、Cu層の中には水分やメッキ浴の成分が
混入し、また、CVD法でCu層を堆積させた場合には
Cu(hfac)TMVS等に起因する有機物等が混入
し、或いは、スパッタリング法で堆積させた場合にはA
r等の雰囲気成分が混入することになる。
For example, when a Cu layer is deposited by an electroplating method, moisture and components of a plating bath are mixed in the Cu layer, and when a Cu layer is deposited by a CVD method, Cu (hfac A) When an organic substance or the like due to TMVS or the like is mixed or deposited by a sputtering method,
Atmosphere components such as r are mixed.

【0007】このため、Cu埋込配線層のエレクトロマ
イグレーション耐性を向上するために、Cu層の堆積後
にアニール処理を施すことによってグレインサイズを大
きくすることを試みたので、図12を参照して説明す
る。なお、図12は、配線層の延長方向に垂直な面で切
った概略的断面図である。
For this reason, in order to improve the electromigration resistance of the Cu embedded wiring layer, an attempt was made to increase the grain size by performing an annealing process after depositing the Cu layer. I do. FIG. 12 is a schematic sectional view taken along a plane perpendicular to the extending direction of the wiring layer.

【0008】図12(a)参照 まず、シリコン基板71上に、PCVD法(プラズマ化
学気相成長法)によって下地酸化膜72となるLTO
(低温成長SiO2 膜)を堆積したのち、同じく、PC
VD法を用いてエッチングストッパー層となるSiN膜
73及び配線層分離酸化膜となるSiO2 膜74を堆積
し、次いで、レジストパターン(図示せず)をマスクと
してRIE(反応性イオンエッチング)によってSiN
膜73に達する凹部を形成したのち、レジストパターン
及び露出したSiN膜73を除去することによって配線
層用溝75を形成する。
Referring to FIG. 12A, first, an LTO to be a base oxide film 72 is formed on a silicon substrate 71 by PCVD (plasma enhanced chemical vapor deposition).
(Low-temperature-grown SiO 2 film), and then PC
A SiN film 73 serving as an etching stopper layer and an SiO 2 film 74 serving as an oxide layer separating oxide film are deposited by using the VD method, and then SiN is formed by RIE (reactive ion etching) using a resist pattern (not shown) as a mask.
After forming a recess reaching the film 73, the resist pattern and the exposed SiN film 73 are removed to form a wiring layer groove 75.

【0009】次いで、スパッタリング法によってバリア
メタルとなるTaN膜76を堆積させたのち、電界メッ
キ工程におけるシードとなるCuシード膜77を同じく
スパッタリング法によって堆積させ、次いで、電解メッ
キ法を用いて厚いCuメッキ層78を堆積させる。
Next, after depositing a TaN film 76 serving as a barrier metal by a sputtering method, a Cu seed film 77 serving as a seed in an electrolytic plating step is also deposited by a sputtering method, and then a thick Cu film is formed by an electrolytic plating method. A plating layer 78 is deposited.

【0010】図12(b)参照 次いで、H2 雰囲気中で、即ち、還元性雰囲気中で熱処
理を行ってCuメッキ層78のグレインサイズを大きく
する。
Next, heat treatment is performed in an H 2 atmosphere, that is, in a reducing atmosphere to increase the grain size of the Cu plating layer 78.

【0011】図12(c)参照 次いで、CMP法によって、SiO2 膜74の表面が露
出するまで研磨を行い、配線層用溝75以外の領域に堆
積したCuメッキ層78、Cuシード膜77、及び、T
aN膜76を除去して、Cu埋込配線層79を形成す
る。
Then, polishing is performed by CMP until the surface of the SiO 2 film 74 is exposed, and the Cu plating layer 78, the Cu seed film 77, And T
After removing the aN film 76, a Cu embedded wiring layer 79 is formed.

【0012】この様な工程を上層配線層、及び、上層配
線層との接続を取るためのCuプラグに対しても行うこ
とによって、Cu埋込配線層による多層配線構造を形成
することができる。
By performing such a process for the upper wiring layer and the Cu plug for making a connection with the upper wiring layer, a multilayer wiring structure using the Cu embedded wiring layer can be formed.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のCMP
法においては、熱処理によりボイドが発生したり、或い
は、グレインの成長が充分ではなく、依然としてグレイ
ンサイズが小さいためエレクトロマイグレーション耐性
が低いという問題があり、Cu埋込配線層の信頼性が低
いという問題がある。
However, the conventional CMP
In the method, voids are generated by heat treatment, or the grain growth is not sufficient, and the grain size is still small, so that electromigration resistance is low, and the reliability of the Cu embedded wiring layer is low. There is.

【0014】検討の結果、この様なボイドの発生は、大
容量のCuメッキ層78が存在するCMP工程の前に熱
処理を行っているのが原因の一つであるとの結論に至っ
たので、図13及び図14を参照してこの事情を説明す
る。
As a result of the study, it was concluded that one of the causes of such voids was that heat treatment was performed before the CMP step in which the large-capacity Cu plating layer 78 was present. This situation will be described with reference to FIGS.

【0015】図13(a)及び(b)参照 図13(a)は、電解メッキ法によって堆積させたCu
メッキ層78からの各脱ガス成分の放出量をTDS(T
hermal Desorption Spectro
scopy)分析法によって信号強度として測定したも
のであり、図13(b)は比較のためにスパッタリング
法によって堆積させたCu層からの各脱ガス成分の放出
量を示したものであり、上記の図12(b)の熱処理工
程を300℃以上で行うことによって、水分(H2 O)
及び水素(H2 )の放出量が再び増加しており、Cuメ
ッキ層78におけるグレインの成長とともに、内部に含
まれていた水分及び水素等が放出されたものと考えられ
る。なお、二酸化炭素(CO2 )は、メッキ浴に含まれ
る有機成分に由来し、水素は強度曲線の相似性からみ
て、水分に起因するものと考えられる。
FIG. 13 (a) and FIG. 13 (b) FIG. 13 (a) shows Cu deposited by electrolytic plating.
The amount of each degassed component released from the plating layer 78 is determined by TDS (T
thermal Desorption Spectro
FIG. 13B shows the amount of each degassed component released from the Cu layer deposited by the sputtering method for comparison. By performing the heat treatment step of FIG. 12B at 300 ° C. or more, the water (H 2 O)
And the amount of released hydrogen (H 2 ) has increased again. It is considered that the moisture and hydrogen contained in the inside were released along with the growth of the grains in the Cu plating layer 78. Note that carbon dioxide (CO 2 ) is derived from organic components contained in the plating bath, and hydrogen is considered to be derived from moisture in view of the similarity of the intensity curves.

【0016】一方、物理的堆積法であるスパッタリング
法の場合にも堆積条件に起因する不純物は脱離するもの
の、放出量は少なく、且つ、温度が上昇しても放出量は
殆ど増加しない。なお、各脱ガス成分の放出量は、測定
装置の感度が各ガス成分によって異なるので、図におけ
る相対的な比較はあまり意味を成さず、且つ、各ガス成
分の総量を表すことになる真空度も、各ガス成分の図に
示した放出量の総計を意味するものではない。
On the other hand, in the case of the sputtering method which is a physical deposition method, although impurities due to deposition conditions are eliminated, the emission amount is small, and the emission amount hardly increases even when the temperature rises. In addition, since the sensitivity of the measuring device differs for each gas component, the relative amount in the figure does not make much sense because the sensitivity of the measuring device differs for each gas component, and the amount of each degassed component represents the total amount of each gas component. The degree does not mean the total amount of the gas components shown in the figure.

【0017】図14(a)及び(b)参照 図14(a)は、図12に示した様に熱処理を施した後
に、CMP法により研磨した場合の配線層の延長方向に
垂直な面で切った概略的断面図であり、また、図14
(b)は配線層の延長方向に沿った概略的断面図であ
る。大容量のCuメッキ層が存在するCMP工程の前に
熱処理を行った場合、グレイン82の成長は、Cuメッ
キ層の表面とTaN膜76に接する底部との両方から進
行するためグレイン82の成長が不十分で、且つ、その
接触点である粒界81の一部において三つのグレイン8
2が重なる三重点83が発生することになる。
14A and 14B. FIG. 14A shows a plane perpendicular to the extending direction of the wiring layer when polished by the CMP method after heat treatment as shown in FIG. FIG. 14 is a schematic sectional view taken
(B) is a schematic sectional view along the extension direction of the wiring layer. When the heat treatment is performed before the CMP step in which a large-capacity Cu plating layer is present, the growth of the grains 82 proceeds from both the surface of the Cu plating layer and the bottom part in contact with the TaN film 76, so that the growth of the grains 82 Insufficient and three grains 8 at a part of the grain boundary 81 which is the contact point
A triple point 83 where 2 overlaps occurs.

【0018】そして、この様なCuメッキ層中には図1
3(a)に示すようにメッキ浴の成分に由来する水(H
2 O)、二酸化炭素(CO2 )、或いは、その他の不純
物が含有されており、これらの不純物による非常に微細
なボイドが粒界81を経由し、集中することによって1
4(a)に示す箇所にボイド80が発生するものと考え
られる。また、Cuメッキ層の表面から底部までグレイ
ン成長が進行した場合には、底部の側にボイド80が発
生するのが見られる。
In such a Cu plating layer, FIG.
As shown in FIG. 3 (a), water (H
2 O), carbon dioxide (CO 2 ), or other impurities, and very fine voids due to these impurities pass through the grain boundaries 81 and condense.
It is considered that the void 80 is generated at the location shown in FIG. Further, when the grain growth proceeds from the surface of the Cu plating layer to the bottom, it is observed that voids 80 are generated on the bottom side.

【0019】また、各種の実験の結果、このボイド80
の発生には、熱処理条件も関与していることが明らかに
なり、300℃以上の熱処理において発生することが多
く、特に、昇温速度が速い程発生頻度が高いことが明ら
かになった。
As a result of various experiments, this void 80
It has been clarified that heat generation conditions are also involved in the occurrence of heat generation, and it often occurs during heat treatment at 300 ° C. or higher.

【0020】また、他の条件としては、バリアメタルと
シード膜との密着性が高いほどボイド80が発生しにく
いこと、及び、シード膜の被覆率が高いほどボイド80
が発生しにくいことが明らかになり、さらに、配線層用
溝或いはビアホール以外の領域に堆積した大容量のCu
メッキ層の応力もボイド80の成長促進に影響を与えて
いるものと考えられる。
As other conditions, the higher the adhesion between the barrier metal and the seed film, the more difficult it is for the void 80 to be generated, and the higher the coverage of the seed film, the higher the void 80 becomes.
It is evident that copper is hardly generated, and a large amount of Cu deposited in regions other than the wiring layer trenches or via holes.
It is considered that the stress of the plating layer also affects the growth promotion of the void 80.

【0021】さらに、ボイド80の発生は、配線層の
幅、或いは、ビアホールの径にも依存することが明らか
になり、例えば、幅或いは径が1.0μm以下のCu埋
込配線層或いはCuプラグにおいて、ボイド80の発生
が見られた。
Further, it is clear that the generation of the void 80 also depends on the width of the wiring layer or the diameter of the via hole. For example, a Cu embedded wiring layer or a Cu plug having a width or diameter of 1.0 μm or less is used. In, the generation of voids 80 was observed.

【0022】したがって、本発明は、Cu埋込配線層或
いはCuプラグにおけるボイドの発生を防止するととも
に、グレインサイズを大きくして、エレクトロマイグレ
ーション耐性の高め、配線層構造の信頼性を高めること
を目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to prevent the generation of voids in a Cu embedded wiring layer or a Cu plug, increase the grain size, increase electromigration resistance, and increase the reliability of the wiring layer structure. And

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図1を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。なお、図は、配
線層の延長方向に垂直な面で切った概略的断面図であ
る。 図1(a)乃至(c)参照 (1)本発明は、基板1上に形成された絶縁膜2に配線
層或いはプラグを形成するための凹部3を設け、この凹
部3に下地導電膜4を介してCu層5を充填し、化学機
械研磨法によって不要なCu層5を除去することにより
Cu埋込層6を形成する半導体装置の製造方法におい
て、不要なCu層5を除去したのちCu埋込層6中の不
純物を脱離させるための熱処理を行うことを特徴とす
る。
FIG. 1 is an explanatory view of the principle configuration of the present invention. Referring to FIG. 1, means for solving the problems in the present invention will be described. The figure is a schematic cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the extending direction of the wiring layer. 1 (a) to 1 (c) (1) In the present invention, a concave portion 3 for forming a wiring layer or a plug is provided in an insulating film 2 formed on a substrate 1, and an underlying conductive film 4 is formed in the concave portion 3. In a method of manufacturing a semiconductor device in which a Cu buried layer 6 is formed by filling a Cu layer 5 through a via hole and removing an unnecessary Cu layer 5 by a chemical mechanical polishing method, the unnecessary Cu layer 5 is removed. It is characterized in that heat treatment for removing impurities in the buried layer 6 is performed.

【0024】この様に、不要なCu層5を除去したの
ち、即ち、CMP工程の後に熱処理を行うことによっ
て、熱処理工程において、凹部3以外に堆積した大容量
のCu層5による応力の影響を受けないので、下地導電
膜4との密着性が良好になりボイドの発生が抑制され、
エレクトロマイグレーション耐性が向上する。なお、下
地導電膜4とは、バリアメタル、或いは、バリアメタル
/シード膜を意味する。
As described above, after the unnecessary Cu layer 5 is removed, that is, by performing the heat treatment after the CMP step, the influence of the stress due to the large-capacity Cu layer 5 deposited on the portions other than the recesses 3 in the heat treatment step. As a result, the adhesion to the underlying conductive film 4 is improved, and the generation of voids is suppressed.
Electromigration resistance is improved. The underlying conductive film 4 means a barrier metal or a barrier metal / seed film.

【0025】また、グレインの成長がCu埋込層6、例
えば、Cu埋込配線層或いはCuプラグという比較的狭
い領域で行われるため、大きなサイズのグレインに成り
やすく、且つ、三重点の発生もほとんど無くなるので、
エレクトロマイグレーション耐性が向上する。
Further, since the growth of the grains is performed in a relatively narrow region such as the Cu buried layer 6, for example, the Cu buried wiring layer or the Cu plug, the grains are likely to be large in size, and the generation of the triple point is also likely to occur. Since it almost disappears,
Electromigration resistance is improved.

【0026】(2)また、本発明は、上記(1)におい
て、不要なCu層5を除去したのちCu埋込層6中の不
純物を脱離させるための熱処理を、Cu埋込層6上に絶
縁膜を形成する前に行うことを特徴とする。
(2) Further, according to the present invention, in the above (1), the heat treatment for removing the impurities in the Cu buried layer 6 after removing the unnecessary Cu layer 5 is performed on the Cu buried layer 6. Before forming an insulating film.

【0027】この様な熱処理は、Cu埋込層6の幅或い
は直径が大きい場合には、Cu埋込層6上に絶縁膜、例
えば、層間絶縁膜を形成する前に行うことが望ましく、
絶縁膜の形成前に熱処理を行うことによって、グレイン
サイズ(平均結晶粒径)をより大きくすることができ
る。
When the width or diameter of the Cu buried layer 6 is large, it is desirable to perform such a heat treatment before forming an insulating film, for example, an interlayer insulating film on the Cu buried layer 6.
By performing heat treatment before the formation of the insulating film, the grain size (average crystal grain size) can be further increased.

【0028】(3)また、本発明は、上記(2)におい
て、Cu埋込層6の幅或いは直径が、1.0μm以上で
あることを特徴とする。
(3) The present invention is characterized in that, in the above (2), the width or diameter of the Cu buried layer 6 is 1.0 μm or more.

【0029】この様な、絶縁膜の形成前の熱処理は、C
u埋込層6の幅或いは直径が、1.0μm以上の場合に
特に有効であり、例えば、2.0μm程度のグレインサ
イズにすることができる。
The heat treatment before the formation of the insulating film is carried out by
This is particularly effective when the width or diameter of the u-embedded layer 6 is 1.0 μm or more. For example, the grain size can be about 2.0 μm.

【0030】(4)また、本発明は、上記(1)におい
て、不要なCu層5を除去したのちCu埋込層6中の不
純物を脱離させるための熱処理を、Cu埋込層6上に絶
縁膜を形成した後に行うことを特徴とする。
(4) Further, according to the present invention, in the above (1), a heat treatment for removing impurities in the Cu buried layer 6 after removing the unnecessary Cu layer 5 is performed on the Cu buried layer 6. After forming an insulating film.

【0031】この様に、Cu埋込層6の幅或いは直径が
小さい場合には、熱処理をCu埋込層6上に絶縁膜を形
成した後に行うことが望ましく、絶縁膜の形成後に熱処
理を行うことによって、ボイドの発生を抑制することが
できる。
As described above, when the width or the diameter of the Cu buried layer 6 is small, it is desirable to perform the heat treatment after forming the insulating film on the Cu buried layer 6, and to perform the heat treatment after the formation of the insulating film. Thereby, generation of voids can be suppressed.

【0032】(5)また、本発明は、上記(4)におい
て、Cu埋込層6の幅或いは直径が、1.0μm以下で
あることを特徴とする。
(5) The present invention is characterized in that in (4) above, the width or diameter of the Cu buried layer 6 is 1.0 μm or less.

【0033】この様な、絶縁膜の形成後の熱処理は、C
u埋込層6の幅或いは直径が、1.0μm以下の場合に
特に有効であり、グレインサイズはCu埋込層6の幅或
いは直径に規制されてそれ程大きくならないものの、ボ
イドが発生しなくなり、Cu埋込層6の寿命が向上す
る。
The heat treatment after the formation of the insulating film is carried out by C
This is particularly effective when the width or diameter of the u-embedded layer 6 is 1.0 μm or less, and although the grain size is not so large due to the width or diameter of the Cu-embedded layer 6, voids are not generated, The life of the Cu buried layer 6 is improved.

【0034】(6)また、本発明は、上記(4)におい
て、Cu埋込層6が、幅或いは直径が1.0μm以上の
Cu埋込層6と、幅或いは直径が1.0μm以下のCu
埋込層6とを含み、幅或いは直径が1.0μm以上のC
u埋込層6における平均結晶粒径が幅或いは直径が1.
0μm以下のCu埋込層6における平均結晶粒径より大
きいことを特徴とする。
(6) In the present invention, in the above (4), the Cu buried layer 6 may be a Cu buried layer 6 having a width or a diameter of 1.0 μm or more and a Cu buried layer 6 having a width or a diameter of 1.0 μm or less. Cu
C including a buried layer 6 and having a width or a diameter of 1.0 μm or more.
The average crystal grain size in the u buried layer 6 is 1.
It is characterized by being larger than the average crystal grain size in the Cu buried layer 6 of 0 μm or less.

【0035】この様に、幅或いは直径が1.0μm以上
のCu埋込層6と、幅が1.0μm以下のCu埋込層6
とが混在する場合には、ボイドの発生の抑制を優先し
て、絶縁膜の形成後に熱処理を行うことも有効であり、
その場合には、幅或いは直径が1.0μm以上のCu埋
込層6における平均結晶粒径(グレインサイズ)を、幅
或いは直径が1.0μm以下のCu埋込層6における平
均結晶粒径より大きくすることができる。
As described above, the Cu buried layer 6 having a width or diameter of 1.0 μm or more and the Cu buried layer 6 having a width of 1.0 μm or less are used.
When both are mixed, it is also effective to perform heat treatment after forming the insulating film, giving priority to suppression of generation of voids.
In that case, the average crystal grain size (grain size) in the Cu buried layer 6 having a width or diameter of 1.0 μm or more is determined by the average crystal grain size in the Cu buried layer 6 having a width or diameter of 1.0 μm or less. Can be bigger.

【0036】(7)また、本発明は、上記(1)乃至
(6)のいずれかにおいて、Cu埋込層6の上に第1の
絶縁膜を設け、この第1の絶縁膜に配線層或いはプラグ
を形成するための凹部を設け、この凹部に下地導電膜を
介してCu層を充填し、化学機械研磨法によって不要な
Cu層を除去することによりCu埋込層を形成し、第2
の絶縁膜を堆積したのち、Cu埋込層中の不純物を脱離
させるための熱処理を行なって、多層配線構造を形成す
ることを特徴とする。
(7) Further, according to the present invention, in any one of the above (1) to (6), a first insulating film is provided on the Cu buried layer 6, and a wiring layer is provided on the first insulating film. Alternatively, a concave portion for forming a plug is provided, the concave portion is filled with a Cu layer via an underlying conductive film, and an unnecessary Cu layer is removed by a chemical mechanical polishing method to form a Cu buried layer.
After depositing the above insulating film, a heat treatment for desorbing impurities in the Cu buried layer is performed to form a multilayer wiring structure.

【0037】この様に、上記の(1)乃至(6)のいず
れかの工程を繰り返すことによって、信頼性の高い多層
配線構造を形成することができる。
As described above, by repeating any one of the above steps (1) to (6), a highly reliable multilayer wiring structure can be formed.

【0038】(8)また、本発明は、上記(1)乃至
(7)のいずれかにおいて、Cu層5を、電界メッキ法
によって堆積させることを特徴とする。
(8) The present invention is characterized in that in any one of the above (1) to (7), the Cu layer 5 is deposited by an electroplating method.

【0039】この様な熱処理工程は、Cu層5を、スパ
ッタリング法等のPVD(物理気相成長)法、CVD
法、無電界メッキ法、或いは、電界メッキ法等のいずれ
の方法で堆積した場合にも有効であるが、Cu層5に混
入する不純物の量が多い電界メッキ法の場合に特に有効
である。
In such a heat treatment step, the Cu layer 5 is formed by a PVD (Physical Vapor Deposition) method such as a sputtering method, a CVD method, or the like.
The method is effective in the case of depositing by any method such as the electroless plating method, the electroless plating method, or the electrolytic plating method, but is particularly effective in the case of the electrolytic plating method in which the amount of impurities mixed into the Cu layer 5 is large.

【0040】(9)また、本発明は、上記(8)におい
て、Cu埋込層6中の不純物を脱離させるための熱処理
工程において、基板1を300℃以下の温度の熱処理室
に導入した後、20℃/分以下の昇温速度で基板1を昇
温することを特徴とする。
(9) In the present invention according to (8), the substrate 1 is introduced into a heat treatment chamber at a temperature of 300 ° C. or less in the heat treatment step for removing impurities in the Cu buried layer 6. Thereafter, the temperature of the substrate 1 is increased at a rate of 20 ° C./min or less.

【0041】この様な熱処理は、急激に行うとボイドが
発生するので、300℃以下の低温の熱処理室に導入し
たのち、20℃/分以下の遅い昇温速度で基板1を昇温
することが望ましい。
If such a heat treatment is performed rapidly, voids are generated. Therefore, the substrate 1 is introduced into a low-temperature heat treatment room at a temperature of 300 ° C. or less, and then the substrate 1 is heated at a slow temperature increase rate of 20 ° C./min or less. Is desirable.

【0042】(10)また、本発明は、上記(9)にお
いて、熱処理工程における熱処理温度を、Cu埋込層6
形成後の処理工程における温度以上で、且つ、300〜
500℃とすることを特徴とする。
(10) Further, according to the present invention, in the above (9), the heat treatment temperature in the heat treatment
Not less than the temperature in the processing step after formation, and from 300 to
The temperature is set to 500 ° C.

【0043】この様な熱処理工程における熱処理温度
は、Cu埋込層6形成後の処理工程の温度以下である場
合には、Cu埋込層6形成後の処理工程、例えば、絶縁
膜の成膜工程においてグレインが再成長するとともに、
ボイドが発生する可能性があるため、それ以上の温度に
する必要があり、且つ、Cu層5からの不純物、例え
ば、水分、水素、或いは、二酸化炭素の脱離状況、即
ち、脱ガスの温度特性からは、300〜500℃とする
ことが望ましく、500℃を越えるとCuの拡散が問題
となる。但し、絶縁膜2として、FSG(フッ素含有S
iO2 膜)、無機系SOG(スピンオングラス)である
HSQ、或いは、有機系絶縁膜等の低誘電率膜を用いた
場合には、耐熱性の観点から450℃以下が望ましい。
If the heat treatment temperature in such a heat treatment step is lower than the temperature of the treatment step after the formation of the Cu buried layer 6, the treatment step after the formation of the Cu buried layer 6, for example, the formation of an insulating film, As the grains grow again in the process,
Since there is a possibility that voids may be generated, the temperature needs to be raised to a higher temperature, and the desorption state of impurities, for example, moisture, hydrogen, or carbon dioxide from the Cu layer 5, that is, the degassing temperature From the characteristics, it is desirable to set the temperature to 300 to 500 ° C., and if it exceeds 500 ° C., diffusion of Cu becomes a problem. However, FSG (fluorine-containing S
When a low dielectric constant film such as an iO 2 film), HSQ which is an inorganic SOG (spin on glass), or an organic insulating film is used, the temperature is preferably 450 ° C. or lower from the viewpoint of heat resistance.

【0044】(11)また、本発明は、上記(10)に
おいて、熱処理工程において、最高温度に達している時
間を、5〜2000秒とすることを特徴とする。
(11) The present invention is characterized in that, in the above (10), the time during which the maximum temperature is reached is 5 to 2000 seconds in the heat treatment step.

【0045】この様に、最高温度に達している時間は、
5〜2000秒の範囲が望ましく、5秒以上行わないと
グレインの成長が不十分であり、一方、2000秒以上
の場合には、Cu埋込層6における突起の発生や、Cu
の拡散が問題となる。
As described above, the time during which the maximum temperature is reached is
If the time is not longer than 5 seconds, the growth of the grain is insufficient. On the other hand, if the time is longer than 2000 seconds, the generation of protrusions in the Cu buried layer 6 or the Cu
Is a problem.

【0046】(12)また、本発明は、上記(9)乃至
(11)のいずれかにおいて、熱処理工程における雰囲
気を、水素雰囲気としたことを特徴とする。
(12) Further, the present invention is characterized in that in any one of the above (9) to (11), the atmosphere in the heat treatment step is a hydrogen atmosphere.

【0047】この様に、熱処理工程における雰囲気は、
CMP工程におけるダメージ層の回復と、Cu埋込層6
の表面の酸化を防止するために、水素雰囲気、即ち、還
元性の雰囲気で行うことが望ましい。
As described above, the atmosphere in the heat treatment step is
Recovery of the damaged layer in the CMP process and the Cu buried layer 6
Is preferably performed in a hydrogen atmosphere, that is, a reducing atmosphere in order to prevent oxidation of the surface.

【0048】(13)また、本発明は、上記(9)乃至
(11)のいずれかにおいて、熱処理工程における雰囲
気の酸素濃度を、100ppm以下にしたことを特徴と
する。
(13) The present invention is characterized in that in any one of the above (9) to (11), the oxygen concentration of the atmosphere in the heat treatment step is set to 100 ppm or less.

【0049】この様に、熱処理工程における雰囲気、例
えば、水素雰囲気、窒素雰囲気、或いは、アルゴン雰囲
気の酸素濃度は、Cu埋込層6の表面の酸化を防止する
ために、100ppm以下であることが望ましく、特
に、水素雰囲気であることが望ましい。
As described above, the oxygen concentration in the atmosphere in the heat treatment step, for example, the hydrogen atmosphere, the nitrogen atmosphere, or the argon atmosphere may be 100 ppm or less in order to prevent the surface of the Cu buried layer 6 from being oxidized. It is desirable that the atmosphere be a hydrogen atmosphere.

【0050】[0050]

【発明の実施の形態】ここで、図2及び図3を参照し
て、本発明の第1の実施の形態であるCu埋込配線層の
形成工程を説明するが、説明を簡単にするためにシリコ
ン基板に形成する素子領域や素子分離領域等の構成は図
示を省略する。なお、各図は、配線層の延長方向に垂直
な面で切った概略的断面図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A process for forming a buried Cu wiring layer according to a first embodiment of the present invention will now be described with reference to FIGS. 2 and 3. The illustration of the configuration of the element region and the element isolation region formed on the silicon substrate is omitted in the drawing. Each drawing is a schematic cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the extending direction of the wiring layer.

【0051】図2(a)参照 まず、所定の素子等を形成したシリコン基板11に、P
CVD法を用いて、例えば、厚さ700nmのLTO
(低温成長SiO2 膜)を成長させて下地酸化膜12と
し、次いで、同じく、PCVD法を用いてエッチングス
トッパー層となる厚さが、例えば、50nmのSiN膜
13及び配線層分離酸化膜となるLTOからなる厚さ
が、例えば、700nmのSiO2 膜14を堆積する。
Referring to FIG. 2 (a), first, a P
Using a CVD method, for example, a 700 nm thick LTO
(Low-temperature-grown SiO 2 film) is grown to form a base oxide film 12, and then, similarly, becomes a 50-nm-thick SiN film 13 and a wiring-layer-separating oxide film to be an etching stopper layer by using the PCVD method. For example, a 700 nm thick SiO 2 film 14 made of LTO is deposited.

【0052】次いで、レジストパターン(図示せず)を
マスクとして、C4 8 +CO+Arからなる混合ガス
を用いたRIEによってSiN膜13に達する凹部を形
成したのち、レジストパターン及び露出したSiN膜1
3を除去することによって、幅が1.0μm以上、例え
ば、10.0μmの配線層用溝15を形成する。
Next, using a resist pattern (not shown) as a mask, a recess reaching the SiN film 13 is formed by RIE using a mixed gas of C 4 F 8 + CO + Ar, and then the resist pattern and the exposed SiN film 1 are formed.
By removing 3, a wiring layer groove 15 having a width of 1.0 μm or more, for example, 10.0 μm is formed.

【0053】図2(b)参照 次いで、スパッタリング法によってバリアメタルとなる
TaN膜16を、例えば、20nm堆積させたのち、真
空を破らず引き続いて、スパッタリング法によって、電
界メッキ工程におけるシードとなるCuシード膜17
を、例えば、100nm堆積させて下地導電膜を形成す
る。なお、この場合のスパッタリング条件は、2×10
-3TorrのArガス雰囲気において、直径290mm
の平行平板電極に、12kWの直流電力を印加して行っ
た。
Next, as shown in FIG. 2B, a TaN film 16 serving as a barrier metal is deposited, for example, to a thickness of 20 nm by a sputtering method, and then, without breaking vacuum, Cu is used as a seed in an electroplating step by a sputtering method. Seed film 17
Is deposited, for example, to a thickness of 100 nm to form a base conductive film. The sputtering conditions in this case were 2 × 10
-3 mm in Ar gas atmosphere at Torr
And a DC power of 12 kW was applied to the parallel plate electrodes.

【0054】この場合、TaN膜16を堆積させたの
ち、一度大気中に暴露してしまうと、TaN膜16と次
に堆積させるCuシード膜17との間に自然酸化膜が成
長し、界面の密着性が低下するので、TaN膜16とC
uシード膜17とを連続して成膜することが望ましい。
In this case, once the TaN film 16 is deposited and once exposed to the air, a natural oxide film grows between the TaN film 16 and the Cu seed film 17 to be deposited next, and Since the adhesion is reduced, the TaN film 16 and C
It is desirable to continuously form the u seed film 17.

【0055】図2(c)参照 次いで、電解メッキ法を用いて、SiO2 膜14上の厚
さが、例えば、1000nm(1μm)となる厚いCu
メッキ層18を堆積させる。なお、この場合の電界メッ
キ条件は、硫酸浴を用い、2.5A/(10cm) 2
電流密度で100msサイクルのパルス電流を用いて行
い、成長速度は400nm/分であった。
Next, as shown in FIG.TwoThickness on membrane 14
Is, for example, 1000 nm (1 μm) thick Cu
A plating layer 18 is deposited. In this case, the electric field
The conditions were as follows: a sulfuric acid bath, 2.5 A / (10 cm) Twoof
Rows with 100 ms cycle pulse current at current density
The growth rate was 400 nm / min.

【0056】図3(d)参照 次いで、CMP法によって、SiO2 膜14の表面が露
出するまで研磨を行い、配線層用溝15以外の領域に堆
積したCuメッキ層18、Cuシード膜17、及び、T
aN膜16を除去して、Cu埋込配線層19を形成す
る。
Next, as shown in FIG. 3D, polishing is performed by a CMP method until the surface of the SiO 2 film 14 is exposed, and the Cu plating layer 18, the Cu seed film 17, And T
The aN film 16 is removed, and a Cu embedded wiring layer 19 is formed.

【0057】図3(e)参照 次いで、温度が、300℃以下、例えば、150℃で1
00Torrの100%のH2 ガスで満たされた熱処理
室にシリコン基板11を導入し、昇温速度を20℃/分
以下、例えば、6℃/分として、300〜500℃、例
えば、390℃まで昇温し、5〜2000秒、例えば、
120秒間(2分間)保持することによって熱処理を行
い、Cu埋込配線層19に含まれている水分、水素、二
酸化炭素等を除去すると共に、Cu埋込配線層19のグ
レインサイズを大きくする。
Next, as shown in FIG. 3E, when the temperature is 300 ° C. or less, for example,
The silicon substrate 11 is introduced into a heat treatment chamber filled with 100% H 2 gas of 00 Torr, and the temperature is raised at a rate of 20 ° C./min or less, for example, 6 ° C./min, to 300 to 500 ° C., for example, 390 ° C. Raise the temperature for 5 to 2000 seconds, for example,
Heat treatment is performed by holding for 120 seconds (2 minutes) to remove moisture, hydrogen, carbon dioxide, and the like contained in the Cu embedded wiring layer 19 and increase the grain size of the Cu embedded wiring layer 19.

【0058】この様に、本発明の第1の実施の形態にお
いては、CMP工程の後で、且つ、上層の層間絶縁膜等
を形成する前に熱処理を行っているので、Cu埋込配線
層19のグレインサイズを大きくすることができ、それ
によって3重点の発生を抑制することができ、また、熱
処理条件を上記の適正な範囲に設定しているので、ボイ
ドの発生を抑制することができ、エレクトロマイグレー
ション耐性を向上することができる。
As described above, in the first embodiment of the present invention, the heat treatment is performed after the CMP step and before the formation of the upper interlayer insulating film and the like. Since the grain size of No. 19 can be increased, the generation of triple points can be suppressed, and the generation of voids can be suppressed since the heat treatment conditions are set in the above-described appropriate range. In addition, the electromigration resistance can be improved.

【0059】なお、バリアメタルとしてのTaN膜はT
iN膜に置き換えても良いものであり、本発明の第1の
実施の形態の効果を確認するために、バリアメタルとし
てTiN膜を用い、10μmの幅の配線層を形成し、各
種の熱処理条件を用いて実験を行った。
The TaN film serving as a barrier metal is made of T
In order to confirm the effects of the first embodiment of the present invention, a TiN film was used as a barrier metal, a wiring layer having a width of 10 μm was formed, and various heat treatment conditions were used. The experiment was performed using.

【0060】この実験の結果、全く熱処理を行わない場
合のCu埋込配線層における平均結晶粒径(グレインサ
イズ)が0.9μmであったのに対して、第1の実施の
形態の様に、絶縁膜を堆積する前に熱処理を行った場合
には、グレインサイズは2.0μmと2倍程度になって
いた。なお、熱処理は、350℃において2分間行っ
た。
As a result of this experiment, the average crystal grain size (grain size) in the Cu buried wiring layer when no heat treatment was performed was 0.9 μm, as in the first embodiment. When the heat treatment was performed before the insulating film was deposited, the grain size was 2.0 μm, which was about twice. Note that the heat treatment was performed at 350 ° C. for 2 minutes.

【0061】また、比較のために、絶縁膜の堆積後に、
400℃において30分間の熱処理を行った場合には、
グレインサイズは1.1μm程度にしか増加せず、本発
明の効果は明らかである。
For comparison, after depositing the insulating film,
When heat treatment is performed at 400 ° C. for 30 minutes,
The grain size increases only to about 1.1 μm, and the effect of the present invention is clear.

【0062】さらに、絶縁膜を堆積する前に、350℃
において2分間の熱処理を行ったのち、さらに、絶縁膜
の堆積後に、400℃において30分間の熱処理を行っ
た場合には、グレインが再生成長し、グレインサイズは
2.2μmになっているのが確認され、少なくとも絶縁
膜を堆積する前に熱処理を行うことが有効であることが
確認された。
Further, before depositing the insulating film, the temperature is set to 350 ° C.
In the case where the heat treatment is performed for 2 minutes at 400 ° C. and then the heat treatment is performed at 400 ° C. for 30 minutes after the deposition of the insulating film, the grains regenerate and grow, and the grain size becomes 2.2 μm. It was confirmed that heat treatment was effective at least before depositing the insulating film.

【0063】次に、図4を参照して、本発明の第1の実
施の形態の変形例を説明する。図4(a)参照上記の第
1の実施の形態で説明したように、Cuシード膜17を
スパッタリング法によって成膜した場合には、図に示す
ように庇部20やエッジ状凹部21が形成されやすく、
この様な庇部20やエッジ状凹部21が過度に生じた場
合には、電解メッキ法によってCuメッキ層18を堆積
させる場合、Cuメッキ層18を配線層用溝15内に十
分充填することができず、ボイドの発生を助長すること
になる。
Next, a modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Referring to FIG. 4A, as described in the first embodiment, when the Cu seed film 17 is formed by the sputtering method, the eaves 20 and the edge-shaped concave portions 21 are formed as shown in the drawing. Easy to be
When the eaves portion 20 and the edge-shaped concave portion 21 are excessively generated, when the Cu plating layer 18 is deposited by the electrolytic plating method, the Cu plating layer 18 may be sufficiently filled in the wiring layer groove 15. No, it will promote the generation of voids.

【0064】図4(b)参照 したがって、Cuシード膜17を成膜したのち、Ar等
の不活性ガス中で逆スパッタ、即ち、スパッタエッチン
グを行うことによって、庇部20やエッジ状凹部21を
なくし、図4(b)に示すような形状にすることが望ま
しい。
4B. Therefore, after the Cu seed film 17 is formed, the eaves portion 20 and the edge-shaped concave portion 21 are formed by performing reverse sputtering, that is, sputter etching in an inert gas such as Ar. It is desirable to make the shape as shown in FIG.

【0065】次に、図5及び図6を参照して、本発明の
第2の実施の形態であるCuプラグの形成工程を説明す
るが、説明を簡単にするためにシリコン基板に形成する
素子領域や素子分離領域、或いは、Cuプラグに接続す
る下層配線層等は図示を省略する。 図5(a)参照 まず、上記の第1の実施の形態と同様に、所定の素子等
を形成したシリコン基板11に、PCVD法を用いて、
例えば、厚さ700nmのLTO膜を成長させて下地酸
化膜12とし、次いで、同じく、PCVD法を用いてエ
ッチングストッパー層となる厚さが、例えば、50nm
のSiN膜13及び層間絶縁膜となるLTO膜からなる
厚さが、例えば、700nmのSiO2 膜14を堆積す
る。
Next, a process for forming a Cu plug according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6. In order to simplify the description, an element formed on a silicon substrate will be described. A region, an element isolation region, a lower wiring layer connected to a Cu plug, and the like are not shown. Referring to FIG. 5A, first, similarly to the first embodiment, a silicon substrate 11 on which a predetermined element or the like is formed is formed by using a PCVD method.
For example, an LTO film having a thickness of 700 nm is grown to form a base oxide film 12, and then, similarly, a thickness serving as an etching stopper layer is reduced to, for example, 50 nm using a PCVD method.
The thickness consisting LTO film serving as the SiN film 13 and the interlayer insulating film, for example, depositing a SiO 2 film 14 of 700 nm.

【0066】次いで、レジストパターン(図示せず)を
マスクとして、C4 8 +CO+Arからなる混合ガス
を用いたRIEによってSiN膜13に達する凹部を形
成したのち、レジストパターン及び露出したSiN膜1
3を除去することによって、直径が1.0μm以下、例
えば、0.6μmのビアホール22を形成する。
Next, using a resist pattern (not shown) as a mask, a recess reaching the SiN film 13 is formed by RIE using a mixed gas of C 4 F 8 + CO + Ar, and then the resist pattern and the exposed SiN film 1 are formed.
By removing 3, a via hole 22 having a diameter of 1.0 μm or less, for example, 0.6 μm, is formed.

【0067】図5(b)参照 次いで、スパッタリング法によってバリアメタルとなる
TiN膜23を、例えば、50nm堆積させたのち、真
空を破らず引き続いてスパッタリング法によって、電界
メッキ工程におけるシードとなるCuシード膜17を、
例えば、200nm堆積させて下地導電膜を形成する。
なお、この場合のスパッタリング条件も、2×10-3
orrのArガス雰囲気において、直径290mmの平
行平板電極に、12kWの直流電力を印加して行った。
Next, as shown in FIG. 5B, a TiN film 23 serving as a barrier metal is deposited, for example, to a thickness of 50 nm by a sputtering method. The membrane 17
For example, a base conductive film is formed by depositing 200 nm.
The sputtering conditions in this case are also 2 × 10 −3 T
In an orr Ar gas atmosphere, a DC power of 12 kW was applied to a parallel plate electrode having a diameter of 290 mm.

【0068】図5(c)参照 次いで、電解メッキ法を用いて、SiO2 膜14上の厚
さが、例えば、1000nm(1μm)となる厚いCu
メッキ層18を堆積させる。なお、この場合の電界メッ
キ条件も、硫酸浴を用い、2.5A/(10cm) 2
電流密度で100msサイクルのパルス電流を用いて行
い、成長速度は400nm/分であった。
Next, as shown in FIG.TwoThickness on membrane 14
Is, for example, 1000 nm (1 μm) thick Cu
A plating layer 18 is deposited. In this case, the electric field
The conditions are as follows: 2.5 A / (10 cm) using a sulfuric acid bath. Twoof
Rows with 100 ms cycle pulse current at current density
The growth rate was 400 nm / min.

【0069】図6(d)参照 次いで、CMP法によって、SiO2 膜14の表面が露
出するまで研磨を行い、配線層用溝15以外の領域に堆
積したCuメッキ層18、Cuシード膜17、及び、T
iN膜23を除去して、Cuプラグ24を形成する。
Then, polishing is performed by CMP until the surface of the SiO 2 film 14 is exposed, and the Cu plating layer 18, the Cu seed film 17, And T
The Cu plug 24 is formed by removing the iN film 23.

【0070】図6(e)参照 次いで、再び、PCVD法を用いてエッチングストッパ
ー層となる厚さが、例えば、50nmのSiN膜25及
び配線層分離酸化膜等となるLTO膜からなる厚さが、
例えば、700nmのSiO2 膜26を堆積する。
Next, referring to FIG. 6E, the thickness of the etching stopper layer is again reduced by the PCVD method, for example, to the thickness of the 50 nm SiN film 25 and the thickness of the LTO film serving as the wiring layer isolation oxide film. ,
For example, a 700 nm SiO 2 film 26 is deposited.

【0071】図6(f)参照 次いで、温度が、300℃以下、例えば、150℃で1
00Torrの100%のH2 ガスで満たされた熱処理
室にシリコン基板11を導入し、昇温速度を20℃/分
以下、例えば、6℃/分として、300〜500℃、例
えば、390℃まで昇温し、30〜2000秒、例え
ば、120秒間(2分間)保持することによって熱処理
を行い、Cuプラグ24に含まれている水分、水素、二
酸化炭素等を除去すると共に、グレインサイズを大きく
する。
Next, as shown in FIG. 6F, when the temperature is 300 ° C. or less, for example, 150 ° C.
The silicon substrate 11 is introduced into a heat treatment chamber filled with 100% H 2 gas of 00 Torr, and the temperature is raised at a rate of 20 ° C./min or less, for example, 6 ° C./min, to 300 to 500 ° C., for example, 390 ° C. Heat treatment is performed by raising the temperature and holding for 30 to 2000 seconds, for example, 120 seconds (2 minutes) to remove moisture, hydrogen, carbon dioxide, and the like contained in the Cu plug 24 and increase the grain size. .

【0072】この様に、本発明の第2の実施の形態にお
いては、CMP工程の後で、且つ、上層の層間絶縁膜等
を形成した後に熱処理を行っているので、直径が1.0
μm以下のCuプラグ24の熱処理に際してボイドが発
生することがない。
As described above, in the second embodiment of the present invention, since the heat treatment is performed after the CMP step and after forming the upper interlayer insulating film and the like, the diameter is 1.0
No void is generated during the heat treatment of the Cu plug 24 of μm or less.

【0073】なお、この様な層間絶縁膜等の形成後の熱
処理は、幅が1.0μm以下の微細なCu埋込配線層に
対しても有効であり、この場合のグレインサイズはCu
埋込配線層の幅に規制され、幅程度の粒径以上にはなり
にくいものの、ボイドが発生することがなく、エレクト
ロマイグレーション耐性が向上する。
The heat treatment after the formation of such an interlayer insulating film and the like is effective even for a fine Cu embedded wiring layer having a width of 1.0 μm or less, and the grain size in this case is Cu
Although the particle size is limited by the width of the buried wiring layer and is hardly larger than the particle size of the width, no void is generated and the electromigration resistance is improved.

【0074】例えば、本発明の第2の実施の形態の効果
を確認するために、0.35μmの幅の配線層を形成
し、各種の熱処理条件を用いて実験を行った結果、この
様な微細な配線層においては、グレインサイズは配線幅
に規制されるため、グレインサイズはどれもほとんど同
じであったが、ボイドの発生状況が全く異なり、したが
って、250℃における6MA/cm2 の通電試験によ
るエレクトロマイグレーション寿命に大きな差が生じ
た。
For example, in order to confirm the effect of the second embodiment of the present invention, a wiring layer having a width of 0.35 μm was formed, and experiments were performed under various heat treatment conditions. In the fine wiring layer, the grain size is almost the same because the grain size is restricted by the wiring width. However, the generation state of voids is completely different, and therefore, the current test at 6 MA / cm 2 at 250 ° C. Caused a great difference in the electromigration life.

【0075】この実験の結果、全く熱処理を行わない場
合のCu埋込配線層においては、当然ボイドが発生して
おらず、50%不良に到る時間は1180時間であった
の対して、第2の実施の形態の様に、絶縁膜の堆積後に
熱処理を行った場合には、ボイドは発生せず、且つ、5
0%不良に到る時間は1550時間であり、30%以上
の改善が得られた。なお、熱処理は、昇温速度を20℃
/分とし、400℃において30分間行った。
As a result of this experiment, no void was generated in the Cu buried wiring layer where no heat treatment was performed, and the time to 50% failure was 1180 hours. When the heat treatment is performed after the deposition of the insulating film as in the second embodiment, no voids
The time to 0% failure was 1550 hours, and an improvement of 30% or more was obtained. The heat treatment was performed at a temperature rising rate of 20 ° C.
/ Min at 400 ° C. for 30 minutes.

【0076】また、比較のために、絶縁膜の堆積前に、
昇温速度を60℃/分とし、350℃において2分間の
熱処理を行った場合には、ボイドの発生が見られ、50
%不良に到る時間は103時間であり、熱処理を全く行
わない場合の1/10以下に低下した。
For comparison, before depositing the insulating film,
When the temperature was raised at a rate of 60 ° C./min and the heat treatment was performed at 350 ° C. for 2 minutes, voids were observed,
The time to reach% failure was 103 hours, which was less than 1/10 of that when no heat treatment was performed.

【0077】さらに、絶縁膜を堆積する前に、昇温速度
を60℃/分とし、350℃において2分間の熱処理を
行ったのち、さらに、絶縁膜の堆積後に、昇温速度を2
0℃/分とし、400℃において30分間の熱処理を行
った場合にも、ボイドの発生が見られ、50%不良に到
る時間は147時間であり、熱処理を全く行わない場合
の1/8以下に低下するのが確認され、配線層の幅、或
いは、プラグの直径が1.0μm以下の場合には、少な
くとも絶縁膜を堆積させた後に熱処理を行うことが有効
であることが確認された。
Further, before depositing the insulating film, a heat treatment was performed at 350 ° C. for 2 minutes at a heating rate of 60 ° C./min.
When the heat treatment was performed at 0 ° C./min at 400 ° C. for 30 minutes, voids were observed, and the time to 50% failure was 147 hours, which was 8 of the case where no heat treatment was performed. In the case where the width of the wiring layer or the diameter of the plug is 1.0 μm or less, it was confirmed that it is effective to perform the heat treatment after depositing at least the insulating film. .

【0078】次に、図7乃至図11を参照して、本発明
の第3の実施の形態であるCu埋込配線層及びCuプラ
グを利用した多層配線層構造の製造工程を説明するが、
基本的には、上記の第1の実施の形態と第2の実施の形
態の繰り返しであり、説明を簡単にするために2層配線
層構造で説明する。 図7(a)参照 まず、所定の素子等を形成したシリコン基板31に、P
CVD法を用いて、例えば、厚さ700nmのLTO膜
を成長させて下地酸化膜32とし、次いで、同じく、P
CVD法を用いてエッチングストッパー層となる厚さ
が、例えば、50nmのSiN膜33及び配線層分離酸
化膜となりLTO膜からなる厚さが、例えば、700n
mのSiO2 膜34を堆積する。
Next, with reference to FIGS. 7 to 11, a description will be given of a manufacturing process of a multilayer wiring layer structure using a Cu embedded wiring layer and a Cu plug according to a third embodiment of the present invention.
Basically, it is a repetition of the first embodiment and the second embodiment described above. For simplicity, the description will be made with a two-layer wiring layer structure. First, as shown in FIG. 7 (a), a P
Using a CVD method, for example, a 700 nm-thick LTO film is grown to form a base oxide film 32, and then,
The thickness of the etching stopper layer formed by the CVD method is, for example, 50 nm. The thickness of the SiN film 33 and the wiring layer separating oxide film is, for example, 700 nm.
An m 2 SiO 2 film 34 is deposited.

【0079】次いで、レジストパターン(図示せず)を
マスクとして、C4 8 +CO+Arからなる混合ガス
を用いたRIEによってSiN膜33に達する凹部を形
成したのち、レジストパターン及び露出したSiN膜3
3を除去することによって、幅が1.0μm以上、例え
ば、1.2μmの配線層用溝35を形成する。
Next, using a resist pattern (not shown) as a mask, a recess reaching the SiN film 33 is formed by RIE using a mixed gas of C 4 F 8 + CO + Ar, and then the resist pattern and the exposed SiN film 3 are formed.
By removing 3, a wiring layer groove 35 having a width of 1.0 μm or more, for example, 1.2 μm, is formed.

【0080】図7(b)参照 次いで、スパッタリング法によってバリアメタルとなる
TiN膜36を、例えば、50nm堆積させたのち、真
空を破らず引き続いてスパッタリング法によって、電界
メッキ工程におけるシードとなるCuシード膜37を、
例えば、200nm堆積させて下地導電膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, a TiN film 36 serving as a barrier metal is deposited, for example, to a thickness of 50 nm by a sputtering method. The membrane 37
For example, a base conductive film is formed by depositing 200 nm.

【0081】図7(c)参照 次いで、電解メッキ法を用いて、SiO2 膜34上の厚
さが、例えば、1000nm(1μm)となる厚いCu
メッキ層38を堆積させる。
Next, referring to FIG. 7C, a thick Cu film having a thickness on the SiO 2 film 34 of, for example, 1000 nm (1 μm) is formed by electrolytic plating.
A plating layer 38 is deposited.

【0082】図8(d)参照 次いで、CMP法によって、SiO2 膜34の表面が露
出するまで研磨を行い、配線層用溝35以外の領域に堆
積したCuメッキ層38、Cuシード膜37、及び、T
iN膜36を除去して、Cu埋込配線層39を形成す
る。
Then, polishing is performed by CMP until the surface of the SiO 2 film 34 is exposed, and the Cu plating layer 38, the Cu seed film 37, And T
The iN film 36 is removed, and a Cu embedded wiring layer 39 is formed.

【0083】図8(e)参照 次いで、温度が、300℃以下、例えば、150℃で1
00Torrの100%のH2 ガスで満たされた熱処理
室にシリコン基板31を導入し、昇温速度を20℃/分
以下、例えば、6℃/分として、300〜500℃、例
えば、390℃まで昇温し、30〜2000秒、例え
ば、120秒間(2分間)保持することによって熱処理
を行い、Cu埋込配線層39に含まれている水分、水
素、二酸化炭素等を除去すると共に、Cu埋込配線層3
9のグレインサイズを大きくする。
Next, as shown in FIG. 8E, when the temperature is 300 ° C. or less, for example,
The silicon substrate 31 is introduced into a heat treatment chamber filled with 100% H 2 gas of 00 Torr, and the temperature is raised at a rate of 20 ° C./min or less, for example, 6 ° C./min, to 300 to 500 ° C., for example, 390 ° C. A heat treatment is performed by raising the temperature and maintaining the temperature for 30 to 2000 seconds, for example, 120 seconds (2 minutes) to remove moisture, hydrogen, carbon dioxide, and the like contained in the Cu embedded wiring layer 39, and to perform Cu embedding. Embedded wiring layer 3
Increase the grain size of 9

【0084】図8(f)参照 次いで、同じく、PCVD法を用いてエッチングストッ
パー層となる厚さが、例えば、50nmのSiN膜40
及び層間絶縁膜となるLTO膜からなる厚さが、例え
ば、700nmのSiO2 膜41を堆積させたのち、レ
ジストパターン(図示せず)をマスクとして、C4 8
+CO+Arからなる混合ガスを用いたRIEによって
SiN膜40に達する凹部を形成したのち、レジストパ
ターン及び露出したSiN膜40を除去することによっ
て、直径が1.0μm以下、例えば、0.6μmのビア
ホール42,43を形成する。
Next, similarly, a 50 nm thick SiN film 40 serving as an etching stopper layer is similarly formed by the PCVD method.
After an SiO 2 film 41 having a thickness of, for example, 700 nm made of an LTO film serving as an interlayer insulating film is deposited, C 4 F 8 is formed using a resist pattern (not shown) as a mask.
After forming a recess reaching the SiN film 40 by RIE using a mixed gas of + CO + Ar, the resist pattern and the exposed SiN film 40 are removed to form a via hole 42 having a diameter of 1.0 μm or less, for example, 0.6 μm. , 43 are formed.

【0085】図9(g)参照 次いで、スパッタリング法によってバリアメタルとなる
TiN膜44を、例えば、50nm堆積させたのち、真
空を破らず引き続いてスパッタリング法によって、電界
メッキ工程におけるシードとなるCuシード膜45を、
例えば、200nm堆積させて下地導電膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 9 (g), a TiN film 44 serving as a barrier metal is deposited, for example, to a thickness of 50 nm by a sputtering method. The membrane 45
For example, a base conductive film is formed by depositing 200 nm.

【0086】図9(h)参照 次いで、図7(c)の工程と同様に、電解メッキ法を用
いて、SiO2 膜41上の厚さが、例えば、1000n
m(1μm)となる厚いCuメッキ層46を堆積させ
る。
Referring to FIG. 9H, similarly to the step of FIG. 7C, the thickness on the SiO 2 film 41 is set to, for example, 1000 n by electrolytic plating.
A thick Cu plating layer 46 having a thickness of m (1 μm) is deposited.

【0087】図9(i)参照 次いで、CMP法によって、SiO2 膜41の表面が露
出するまで研磨を行い、ビアホール42,43以外の領
域に堆積したCuメッキ層46、Cuシード膜45、及
び、TiN膜44を除去して、Cuプラグ47,48を
形成する。
Then, polishing is performed by a CMP method until the surface of the SiO 2 film 41 is exposed, and the Cu plating layer 46, the Cu seed film 45, and the Cu seed layer 45 deposited in regions other than the via holes 42 and 43 are polished. , TiN film 44 is removed to form Cu plugs 47 and 48.

【0088】図10(j)参照 次いで、再び、PCVD法を用いてエッチングストッパ
ー層となる厚さが、例えば、50nmのSiN膜49及
び配線層分離酸化膜等となるLTO膜からなる厚さが、
例えば、700nmのSiO2 膜50を堆積する。
Next, referring to FIG. 10 (j), the thickness of the etching stopper layer is again reduced by the PCVD method, for example, to the thickness of the 50 nm SiN film 49 and the thickness of the LTO film serving as the wiring layer isolation oxide film. ,
For example, a 700 nm SiO 2 film 50 is deposited.

【0089】図10(k)参照 次いで、図示を簡略化するが、レジストパターン(図示
せず)をマスクとして、C4 8 +CO+Arからなる
混合ガスを用いたRIEによってSiN膜49に達する
凹部を形成したのち、レジストパターン及び露出したS
iN膜49を除去することによって、幅が0.2〜10
μmの範囲の各種の配線層用溝51、及び、必要に応じ
て、直径が1.0μm以下、例えば、0.6μmのビア
ホール52を形成する。なお、Cuプラグ48に対する
凹部はビアホール52ではなく、幅が1.0μm以下、
例えば、0.6μmの配線層用溝であっても良い。
Next, as shown in FIG. 10 (k), a recess reaching the SiN film 49 is formed by RIE using a mixed gas of C 4 F 8 + CO + Ar using a resist pattern (not shown) as a mask. After formation, resist pattern and exposed S
By removing the iN film 49, the width becomes 0.2 to 10
Various wiring layer grooves 51 in the range of μm, and via holes 52 having a diameter of 1.0 μm or less, for example, 0.6 μm, as necessary, are formed. The concave portion for the Cu plug 48 is not the via hole 52 but has a width of 1.0 μm or less.
For example, the wiring layer groove may be 0.6 μm.

【0090】次いで、スパッタリング法によってバリア
メタルとなるTiN膜53を、例えば、50nm堆積さ
せたのち、真空を破らず引き続いてスパッタリング法に
よって、電界メッキ工程におけるシードとなるCuシー
ド膜54を、例えば、200nm堆積させて下地導電膜
を形成し、次いで、図7(c)の工程と同様に、電解メ
ッキ法を用いて、SiO2 膜50上の厚さが、例えば、
1000nm(1μm)となる厚いCuメッキ層(図示
せず)を堆積させる。
Next, a TiN film 53 serving as a barrier metal is deposited, for example, to a thickness of 50 nm by a sputtering method, and then a Cu seed film 54 serving as a seed in an electroplating step is formed by a sputtering method without breaking a vacuum. An underlying conductive film is formed by depositing 200 nm, and then the thickness on the SiO 2 film 50 is set to, for example, the electrolytic plating method as in the step of FIG.
A thick Cu plating layer (not shown) having a thickness of 1000 nm (1 μm) is deposited.

【0091】次いで、CMP法によって、SiO2 膜5
0の表面が露出するまで研磨を行い、配線層用溝51及
びビアホール52以外の領域に堆積したCuメッキ層、
Cuシード膜54、及び、TiN膜53を除去して、C
u埋込配線層55及びCuプラグ56を形成する。
Next, the SiO 2 film 5 is formed by the CMP method.
Polishing until the surface of No. 0 is exposed, and a Cu plating layer deposited in a region other than the wiring layer groove 51 and the via hole 52;
After removing the Cu seed film 54 and the TiN film 53, C
A u-buried wiring layer 55 and a Cu plug 56 are formed.

【0092】次いで、PCVD法によって、厚さが、例
えば、50nmのSiN膜57を堆積させたのち、温度
が、300℃以下、例えば、150℃で100Torr
の3%のN2 を混入したH2 ガスで満たされた熱処理室
にシリコン基板11を導入し、昇温速度を20℃/分以
下、例えば、6℃/分として、300〜500℃、例え
ば、400℃まで昇温し、5〜2000秒、例えば、3
0分間(1800秒間)保持することによって熱処理を
行い、Cu埋込配線層55、Cuプラグ56、及び、下
層のCuプラグ47,48のグレインサイズを大きくす
る。
Next, after depositing an SiN film 57 having a thickness of, for example, 50 nm by PCVD, the temperature is set to 300 ° C. or less, for example, 150 ° C. and 100 Torr.
The silicon substrate 11 is introduced into a heat treatment chamber filled with H 2 gas mixed with 3% N 2 , and the temperature is raised at a rate of 20 ° C./min or less, for example, 6 ° C./min, and 300 to 500 ° C., for example. Temperature to 400 ° C. for 5 to 2000 seconds, for example, 3
A heat treatment is performed by holding for 0 minute (1800 seconds) to increase the grain size of the Cu embedded wiring layer 55, the Cu plug 56, and the lower Cu plugs 47 and 48.

【0093】なお、この熱処理工程において、Cu埋込
配線層39は再度の熱処理を受けるため、第1の実施の
形態の効果の説明において説明したように、グレインが
再成長し、グレインサイズがより大きくなり、エレクト
ロマイグレーション耐性が高まる。
In this heat treatment step, since the Cu buried wiring layer 39 undergoes another heat treatment, as described in the description of the effect of the first embodiment, the grains grow again, and the grain size becomes larger. And the electromigration resistance increases.

【0094】図11(a)及び図11(b)参照 図11は、本発明の第3の実施の形態における粒界の状
態を模式的に説明するための図であり、図11(a)
は、最終的な配線層の延長方向に垂直な面で切った概略
的断面図であり、また、図11(b)は配線層、即ち、
Cu埋込配線層55の延長方向に沿った概略的断面図で
ある。
11 (a) and 11 (b). FIG. 11 is a diagram for schematically explaining a state of a grain boundary according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 11B is a schematic cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the extension direction of the final wiring layer, and FIG.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view along the extension direction of a Cu embedded wiring layer 55.

【0095】この場合、グレイン59のサイズが大きく
なり、粒界58がCu埋込配線層55の延長方向に垂直
な方向に並んだ三重点のないバンブー構造(竹節構造)
を示し、エレクトロマイグレーション耐性が向上するこ
とが理解される。
In this case, the size of the grains 59 is increased, and the grain boundaries 58 are arranged in a direction perpendicular to the direction in which the Cu buried wiring layer 55 extends.
This indicates that the electromigration resistance is improved.

【0096】この第3の実施の形態においては、上層の
配線層の形成工程において、1.0μm以上の幅の配線
層と1.0μm以下の配線層が混在するため、グレイン
の成長を優先して絶縁膜、即ちSiN膜57でCu埋込
配線層55及びCuプラグ55を覆う前に、熱処理する
ことが有効である。
In the third embodiment, in the step of forming the upper wiring layer, a wiring layer having a width of 1.0 μm or more and a wiring layer of 1.0 μm or less are mixed. It is effective to perform a heat treatment before the insulating film, that is, the SiN film 57 covers the Cu buried wiring layer 55 and the Cu plug 55.

【0097】また、この様な熱処理工程において、1.
0μm以上の幅のCu埋込配線層におけるグレインサイ
ズは、上述の様に多少大きくなるので、配線層の幅にに
よりグレインサイズが規制される1.0μm以下の幅の
Cu埋込配線層におけるグレインサイズより大きくする
ことができ、例えば、幅或いは直径が1.0μm以上の
Cu埋込配線層或いはCuプラグにおけるグレインサイ
ズは、幅或いは直径が0.5μmのCu埋込配線層にお
けるグレインサイズの1.5倍以上にすることができ
る。
In such a heat treatment step, 1.
As described above, the grain size in the Cu embedded wiring layer having a width of 0 μm or more slightly increases, so that the grain size in the Cu embedded wiring layer having a width of 1.0 μm or less is restricted by the width of the wiring layer. For example, the grain size in a Cu embedded wiring layer or Cu plug having a width or a diameter of 1.0 μm or more is one of the grain size in a Cu embedded wiring layer having a width or a diameter of 0.5 μm. .5 times or more.

【0098】また、下層の配線層を含む全ての配線層の
幅、及び、全てのビアホールの直径を1.0μm以下に
した場合には、全ての熱処理工程を最後に一括して行え
ば良く、熱処理工程が簡素化される。
When the widths of all the wiring layers including the lower wiring layer and the diameters of all the via holes are set to 1.0 μm or less, all the heat treatment steps may be performed collectively at the end. The heat treatment process is simplified.

【0099】以上、本発明の実施の形態を説明してきた
が、本発明は、実施の形態に記載した構成に限られるも
のではなく、各種の変更が可能である。例えば、バリア
メタルは、TaN膜に代わりにTiN膜、或いは、Ti
N膜の代わりにTaN膜を用いても良く、バリア特性の
点ではTaN膜が優れており、さらには、WN膜或いは
TiSiN膜を用いても良いものである。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the configuration described in the embodiment, and various modifications are possible. For example, the barrier metal is a TiN film instead of a TaN film, or a TiN film.
A TaN film may be used in place of the N film, and a TaN film is excellent in terms of barrier characteristics. Further, a WN film or a TiSiN film may be used.

【0100】また、上記の各実施の形態の説明において
は、TiN膜等のバリアメタルをスパッタリング法によ
って堆積させているが、スパッタリング法に限られるも
のではなく、MOCVD法(有機金属気相成長法)を用
いても良いものである。
In the description of each of the above embodiments, a barrier metal such as a TiN film is deposited by a sputtering method. However, the present invention is not limited to the sputtering method. ) May be used.

【0101】また、上記の各実施の形態の説明において
は、Cuシード膜をスパッタリング法によって堆積させ
ているが、スパッタリング法に限られるものではなく、
MOCVD法或いは無電界メッキ法によって堆積させて
も良いものである。
In the above embodiments, the Cu seed film is deposited by the sputtering method. However, the present invention is not limited to the sputtering method.
It may be deposited by MOCVD or electroless plating.

【0102】また、上述の様に、バリアメタルとシード
膜との密着性はボイドの発生に影響するので、バリアメ
タルとシード膜との密着性を高めるために、バリアメタ
ルとシード膜との間に、20nm程度のAl、Ti、T
a、Zr、或いは、Wを成膜することが有効である。
Further, as described above, since the adhesion between the barrier metal and the seed film affects the generation of voids, in order to increase the adhesion between the barrier metal and the seed film, the adhesion between the barrier metal and the seed film is increased. Al, Ti, T of about 20 nm
It is effective to form a, Zr or W.

【0103】また、上記の各実施の形態の説明において
は、Cuシード膜として純粋なCuを用いているが、純
粋なCuに限られるものではなく、CuにMg、Sn、
Zr、Ti、Al、或いは、Wの少なくとも一種を5重
量%以下混入しても良く、これらの元素を混入すること
によってCuを動きにくくして結晶粒径の肥大を抑制
し、密着性を改善することが可能になる。
In the description of each of the above embodiments, pure Cu is used as the Cu seed film. However, the present invention is not limited to pure Cu.
At least one of Zr, Ti, Al, or W may be mixed in at 5% by weight or less. By mixing these elements, Cu becomes difficult to move, thereby suppressing an increase in crystal grain size and improving adhesion. It becomes possible to do.

【0104】また、上記の各実施の形態の説明において
は、Cu埋込層を電界メッキ法によって堆積させている
が、電界メッキ法に限られるものではなく、Cu(hf
ac)TMVSを用いたMOCVD法、スパッタリング
法等のPVD法、或いは、無電界メッキ法によって堆積
させても良いものであり、これらの場合には、Cuシー
ド膜は必ずしも必要でなくなる。
In the description of each of the above embodiments, the Cu buried layer is deposited by the electroplating method. However, the present invention is not limited to the electroplating method.
ac) It may be deposited by a PVD method such as an MOCVD method or a sputtering method using TMVS, or an electroless plating method. In these cases, a Cu seed film is not necessarily required.

【0105】特に、無電界メッキ法によって堆積させる
場合には、25℃の硫酸銅と還元剤となるホルコリン酸
の中に、或いは、60℃程度のEDTA(エチレンジア
ミン四酢酸)とホルムアルデヒドを含む硫酸第二銅の中
にディッピング(dipping)することによって成
膜すれば良い。
In particular, when depositing by electroless plating, sulfuric acid containing copper sulfate at 25 ° C. and forcolic acid as a reducing agent or EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) and formaldehyde at about 60 ° C. The film may be formed by dipping in dicopper.

【0106】これらの他の堆積法を用いた場合にも、製
法に起因してCu埋込層中に不純物、例えば、MOCV
D法に伴う有機成分、スパッタリング法に伴うAr等の
雰囲気ガス、或いは、メッキ浴に伴う水分等が含まれる
ので、グレインサイズの増大のためには熱処理が有効に
なる。
In the case where these other deposition methods are used, impurities such as MOCV,
Since an organic component accompanying the method D, an atmospheric gas such as Ar accompanying the sputtering method, or moisture accompanying the plating bath is included, a heat treatment is effective for increasing the grain size.

【0107】また、上記の各実施の形態の説明において
は、層間絶縁膜、或いは、配線層分離膜として、Cu埋
込層に与える影響を考慮して、低温で成膜するLTO膜
を用いているが、LTO膜に限られるものではなく、F
SG(フッ素含有SiO2 膜)、水素を含む無機系のS
OGであるHSQ、或いは、有機系絶縁膜等の低誘電率
膜を用いても良いものであり、この様な低誘電率膜を用
いることによって、配線層間の寄生容量を低減すること
ができ、それによって動作速度の遅延を防止することが
できる。但し、この様な低誘電率膜を用いた場合、特
に、HSQ或いは有機系絶縁膜を用いた場合には、低誘
電率膜の耐熱性の観点から、熱処理温度は450℃以下
にすることが望ましい。
In the description of each of the above embodiments, an LTO film formed at a low temperature is used as an interlayer insulating film or a wiring layer separation film in consideration of the influence on a Cu buried layer. However, it is not limited to the LTO film.
SG (fluorine-containing SiO 2 film), inorganic S containing hydrogen
HSQ which is OG, or a low dielectric constant film such as an organic insulating film may be used. By using such a low dielectric constant film, a parasitic capacitance between wiring layers can be reduced. Thereby, a delay in operation speed can be prevented. However, when such a low dielectric constant film is used, particularly when HSQ or an organic insulating film is used, the heat treatment temperature should be 450 ° C. or less from the viewpoint of the heat resistance of the low dielectric constant film. desirable.

【0108】また、上記の第3の実施の形態の様に多層
配線構造を形成する場合には、層間絶縁膜の形成工程に
おける加熱温度により、既に形成したCu埋込配線層の
グレインが必要以上に再成長し、ボイドが発生すること
があるので、出来るかぎり低温での成膜が望ましく、C
u埋込配線層の脱ガスのための熱処理温度以下、例え
ば、300℃程度で成膜することが望ましい。
In the case of forming a multi-layer wiring structure as in the third embodiment, due to the heating temperature in the step of forming the interlayer insulating film, the grains of the already formed Cu buried wiring layer may be more than necessary. It is desirable that the film be formed at a temperature as low as possible because
It is desirable to form the film at a temperature lower than the heat treatment temperature for degassing the u-buried wiring layer, for example, at about 300 ° C.

【0109】また、熱処理雰囲気としては、100%H
2 雰囲気、或いは、3%のN2 を含んだH2 雰囲気中で
行っているが、他の雰囲気、例えば、N2 雰囲気或いは
Ar雰囲気等の不活性ガス雰囲気中で行っても良く、い
ずれの場合にもCu埋込層の表面の酸化を防止するため
に、雰囲気中の酸素濃度は100ppm以下にすること
が望ましい。
The heat treatment atmosphere is 100% H
2 atmosphere or an H 2 atmosphere containing 3% N 2 , but may be performed in another atmosphere, for example, an N 2 atmosphere or an inert gas atmosphere such as an Ar atmosphere. Also in this case, the oxygen concentration in the atmosphere is desirably 100 ppm or less in order to prevent oxidation of the surface of the Cu buried layer.

【0110】[0110]

【発明の効果】本発明によれば、Cu埋込配線層及びC
uプラグをCMP法によって形成する際に、CMP法に
よって余分なCu層を除去したのち熱処理を行っている
ので、Cu埋込配線層及びCuプラグにボイドが発生す
ることがなく、且つ、Cu埋込配線層及びCuプラグの
グレインサイズを大きくして三重点を減少させることが
できるのでエレクトロマイグレーション耐性が向上し、
それによって、低抵抗なCuを配線層として用いた高速
・高集積度の半導体集積回路装置の信頼性を向上するこ
とができる。
According to the present invention, the Cu buried wiring layer and the C
When the u plug is formed by the CMP method, the heat treatment is performed after removing the extra Cu layer by the CMP method, so that no void is generated in the Cu embedded wiring layer and the Cu plug, and the Cu plug is formed. Since the triple point can be reduced by increasing the grain size of the embedded wiring layer and the Cu plug, the electromigration resistance is improved,
Thereby, the reliability of a high-speed and high-integration semiconductor integrated circuit device using low-resistance Cu as a wiring layer can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の原理的構成の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施の形態の途中までの製造工
程の説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a manufacturing process partway through the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施の形態の図2以降の製造工
程の説明図である。
FIG. 3 is an explanatory view of a manufacturing process of the first embodiment of the present invention after FIG. 2;

【図4】本発明の第1の実施の形態の変形例の説明図で
ある。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a modified example of the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2の実施の形態の途中までの製造工
程の説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a manufacturing process partway through a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施の形態の図5以降の製造工
程の説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the second embodiment of the present invention after FIG. 5;

【図7】本発明の第3の実施の形態の途中までの製造工
程の説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a manufacturing process partway through a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第3の実施の形態の図7以降の途中ま
での製造工程の説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the third embodiment of the present invention up to the middle of FIG. 7;

【図9】本発明の第3の実施の形態の図8以降の途中ま
での製造工程の説明図である。
FIG. 9 is an explanatory view of a manufacturing process of the third embodiment of the present invention up to the middle of FIG. 8;

【図10】本発明の第3の実施の形態の図9以降の製造
工程の説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the third embodiment of the present invention after FIG. 9;

【図11】本発明の第3の実施の形態における粒界の説
明図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram of a grain boundary according to a third embodiment of the present invention.

【図12】従来のCMP法の製造工程の説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram of a manufacturing process of a conventional CMP method.

【図13】熱処理により脱離するガス成分の説明図あ
る。
FIG. 13 is an explanatory diagram of gas components desorbed by heat treatment.

【図14】従来のCMP法における問題点の説明図であ
る。
FIG. 14 is an explanatory diagram of a problem in a conventional CMP method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 絶縁膜 3 凹部 4 下地導電膜 5 Cu層 6 Cu埋込層 11 シリコン基板 12 下地酸化膜 13 SiN膜 14 SiO2 膜 15 配線層用溝 16 TaN膜 17 Cuシード膜 18 Cuメッキ層 19 Cu埋込配線層 20 庇部 21 エッジ状凹部 22 ビアホール 23 TiN膜 24 Cuプラグ 25 SiN膜 26 SiO2 膜 31 シリコン基板 32 下地酸化膜 33 SiN膜 34 SiO2 膜 35 配線層用溝 36 TiN膜 37 Cuシード膜 38 Cuメッキ層 39 Cu埋込配線層 40 SiN膜 41 SiO2 膜 42 ビアホール 43 ビアホール 44 TiN膜 45 Cuシード膜 46 Cuメッキ層 47 Cuプラグ 48 Cuプラグ 49 SiN膜 50 SiO2 膜 51 配線層用溝 52 ビアホール 53 TiN膜 54 Cuシード膜 55 Cu埋込配線層 56 Cuプラグ 57 SiN膜 58 粒界 59 グレイン 71 シリコン基板 72 下地酸化膜 73 SiN膜 74 SiO2 膜 75 配線層用溝 76 TaN膜 77 Cuシード膜 78 Cuメッキ層 79 Cu埋込配線層 80 ボイド 81 粒界 82 グレイン 83 三重点REFERENCE SIGNS LIST 1 substrate 2 insulating film 3 concave portion 4 underlying conductive film 5 Cu layer 6 Cu buried layer 11 silicon substrate 12 underlying oxide film 13 SiN film 14 SiO 2 film 15 wiring layer groove 16 TaN film 17 Cu seed film 18 Cu plating layer 19 Cu embedded wiring layer 20 Eave portion 21 Edge-shaped concave portion 22 Via hole 23 TiN film 24 Cu plug 25 SiN film 26 SiO 2 film 31 Silicon substrate 32 Base oxide film 33 SiN film 34 SiO 2 film 35 Wiring layer groove 36 TiN film 37 Cu seed film 38 Cu plating layer 39 Cu buried wiring layer 40 SiN film 41 SiO 2 film 42 Via hole 43 Via hole 44 TiN film 45 Cu seed film 46 Cu plating layer 47 Cu plug 48 Cu plug 49 SiN film 50 SiO 2 film 51 Wiring Layer groove 52 Via hole 53 TiN film 54 Cu De film 55 Cu buried wiring layer 56 Cu plug 57 SiN film 58 grain boundary 59 grains 71 silicon substrate 72 underlying oxide film 73 SiN film 74 SiO 2 film 75 wiring layer trench 76 TaN film 77 Cu seed film 78 Cu plated layer 79 Cu embedded wiring layer 80 void 81 grain boundary 82 grain 83 triple point

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 遠藤 浩二 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 (72)発明者 三沢 信裕 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 (72)発明者 水島 賢子 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 (72)発明者 村上 聡 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 (72)発明者 アンソニー ホッブス 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Koji Endo 4-1-1, Kamidadanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Inside Fujitsu Limited (72) Nobuhiro Misawa 4-1-1, Kamiodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture No. 1 Inside Fujitsu Limited (72) Inventor Kenko Mizushima 4-1-1 Uedanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Inside 1-1 Fujitsu Limited (72) Satoshi Murakami 4-chome, Kamikodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture No. 1 in Fujitsu Limited (72) Inventor Anthony Hobbs 4-1-1, Kamiodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Fujitsu Limited

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に形成された絶縁膜に配線層或い
はプラグを形成するための凹部を設け、前記凹部に下地
導電膜を介してCu層を充填し、化学機械研磨法によっ
て不要なCu層を除去することによりCu埋込層を形成
する半導体装置の製造方法において、前記不要なCu層
を除去したのち前記Cu埋込層中の不純物を脱離させる
ための熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造
方法。
An insulating film formed on a substrate is provided with a concave portion for forming a wiring layer or a plug, and the concave portion is filled with a Cu layer via an underlying conductive film, and unnecessary Cu is removed by a chemical mechanical polishing method. In a method for manufacturing a semiconductor device in which a Cu buried layer is formed by removing a layer, a heat treatment for removing impurities in the Cu buried layer is performed after removing the unnecessary Cu layer. Semiconductor device manufacturing method.
【請求項2】 上記不要なCu層を除去したのちCu埋
込層中の不純物を脱離させるための熱処理を、前記Cu
埋込層上に絶縁膜を形成する前に行うことを特徴とする
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
2. A heat treatment for removing impurities in the Cu buried layer after the unnecessary Cu layer is removed,
2. The method according to claim 1, wherein the method is performed before forming an insulating film on the buried layer.
【請求項3】 上記Cu埋込層の幅或いは直径が、1.
0μm以上であることを特徴とする請求項2記載の半導
体装置の製造方法。
3. The width or diameter of the Cu buried layer is 1.
3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the thickness is 0 μm or more.
【請求項4】 上記不要なCu層を除去したのちCu埋
込層中の不純物を脱離させるための熱処理を、前記Cu
埋込層上に絶縁膜を形成した後に行うことを特徴とする
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
4. After the unnecessary Cu layer is removed, a heat treatment for desorbing impurities in the Cu buried layer is performed by the Cu heat treatment.
2. The method according to claim 1, wherein the method is performed after forming an insulating film on the buried layer.
【請求項5】 上記Cu埋込層の幅或いは直径が、1.
0μm以下であることを特徴とする請求項4記載の半導
体装置の製造方法。
5. The width or diameter of the Cu buried layer is as follows:
5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the thickness is 0 μm or less.
【請求項6】 上記Cu埋込層が、幅或いは直径が1.
0μm以上のCu埋込層と、幅或いは直径が1.0μm
以下のCu埋込層とを含み、前記幅或いは直径が1.0
μm以上のCu埋込層における平均結晶粒径が前記幅或
いは直径が1.0μm以下のCu埋込層における平均結
晶粒径より大きいことを特徴とする請求項4記載の半導
体装置の製造方法。
6. The Cu buried layer having a width or a diameter of 1.
Cu embedded layer of 0 μm or more and width or diameter of 1.0 μm
The following width or diameter is 1.0.
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the average crystal grain size in the Cu buried layer having a size of not less than μm is larger than the average crystal grain size in the Cu buried layer having a width or a diameter not more than 1.0 μm.
【請求項7】 上記Cu埋込層の上に第1の絶縁膜を設
け、前記第1の絶縁膜に配線層或いはプラグを形成する
ための凹部を設け、前記凹部に下地導電膜を介してCu
層を充填し、化学機械研磨法によって不要なCu層を除
去することによりCu埋込層を形成し、第2の絶縁膜を
堆積したのち、前記Cu埋込層中の不純物を脱離させる
ための熱処理を行なって、多層配線構造を形成すること
を特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半
導体装置の製造方法。
7. A first insulating film is provided on the Cu buried layer, a concave portion for forming a wiring layer or a plug is provided in the first insulating film, and the concave portion is provided with a base conductive film therebetween. Cu
After filling the layer and removing an unnecessary Cu layer by a chemical mechanical polishing method to form a Cu buried layer, depositing a second insulating film, and removing impurities in the Cu buried layer. 7. The method according to claim 1, wherein the heat treatment is performed to form a multilayer wiring structure.
【請求項8】 上記Cu層を、電解メッキ法によって堆
積させることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1
項に記載の半導体装置の製造方法。
8. The method according to claim 1, wherein the Cu layer is deposited by an electrolytic plating method.
13. The method for manufacturing a semiconductor device according to the above item.
【請求項9】 上記Cu埋込層中の不純物を脱離させる
ための熱処理工程において、上記基板を300℃以下の
温度の熱処理室に導入したのち、20℃/分以下の昇温
速度で前記基板を昇温することを特徴とする請求項8記
載の半導体装置の製造方法。
9. In a heat treatment step for desorbing impurities in the Cu buried layer, the substrate is introduced into a heat treatment chamber at a temperature of 300 ° C. or less, and then the temperature is increased at a rate of 20 ° C./min or less. 9. The method according to claim 8, wherein the substrate is heated.
【請求項10】 上記熱処理工程における熱処理温度
を、それ以降の処理工程における温度以上で、且つ、3
00〜500℃とすることを特徴とする請求項9記載の
半導体装置の製造方法。
10. The heat treatment temperature in the heat treatment step is equal to or higher than the temperature in the subsequent treatment steps, and
The method according to claim 9, wherein the temperature is set to 00 to 500 ° C. 10.
【請求項11】 上記熱処理工程において、最高温度に
達している時間を、5〜2000秒とすることを特徴と
する請求項10記載の半導体装置の製造方法。
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein in the heat treatment step, the time during which the temperature reaches the maximum temperature is 5 to 2000 seconds.
【請求項12】 上記熱処理工程における雰囲気を、水
素雰囲気としたことを特徴とする請求項9乃至11のい
ずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the atmosphere in the heat treatment step is a hydrogen atmosphere.
【請求項13】 上記熱処理工程における雰囲気の酸素
濃度を、100ppm以下にしたことを特徴とする請求
項9乃至11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造
方法。
13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the oxygen concentration in the atmosphere in the heat treatment step is set to 100 ppm or less.
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