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JP2006253666A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2006253666A
JP2006253666A JP2006032314A JP2006032314A JP2006253666A JP 2006253666 A JP2006253666 A JP 2006253666A JP 2006032314 A JP2006032314 A JP 2006032314A JP 2006032314 A JP2006032314 A JP 2006032314A JP 2006253666 A JP2006253666 A JP 2006253666A
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JP
Japan
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film
semiconductor device
metal
insulating film
copper
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Pending
Application number
JP2006032314A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuyoshi Ueno
和良 上野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Electronics Corp
Original Assignee
NEC Electronics Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by NEC Electronics Corp filed Critical NEC Electronics Corp
Priority to JP2006032314A priority Critical patent/JP2006253666A/en
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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve reliability at the contact of copper wiring and a connection plug thereon. <P>SOLUTION: A cap metal nitride layer 35 is provided on a cap metal 34 comprising CoWP. The thicknesses of the cap metal 34 and the cap nitride layer 35 are set to be, for example, 1 nm-100 nm. The ratio of the thicknesses of the cap metal 34 and the cap metal nitride layer 35 is set to be, for example, 0.1-1. In addition, an SiOCN layer 16 where the surface of a SiOC film 14a is nitrided is formed on the SiOC film 14a. The SiOCN layer 16 is a layer comprising a region on the surface of which nitrogen is segregated, and the thickness is set to be, for example, 1 nm-100 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体装置の構造および製造方法に関し、特に表面に金属キャップ膜を有する銅配線に関するものである。   The present invention relates to a structure and a manufacturing method of a semiconductor device, and more particularly to a copper wiring having a metal cap film on the surface.

近年、半導体装置の高速化に対する要請から、配線材料として銅が広く利用されるようになってきた。銅は、従来用いられてきたアルミ配線に比べ、低抵抗、低容量であり、エレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーション耐性に優れている。その一方、銅は、150℃の低温であっても酸素を含む雰囲気中で容易に酸化されるという性質を有する。このため、銅配線を形成するプロセスにおいては、銅の表面を酸化防止膜によって被覆する技術が一般的に利用されている。酸化防止膜としては、酸素を使用しない化学的気相成長によって成膜できる窒化シリコン膜や炭化シリコン膜などが用いられる。   In recent years, copper has been widely used as a wiring material due to a demand for high-speed semiconductor devices. Copper has a low resistance and a low capacity as compared with conventionally used aluminum wiring, and is excellent in electromigration and stress migration resistance. On the other hand, copper has the property of being easily oxidized in an atmosphere containing oxygen even at a low temperature of 150 ° C. For this reason, in the process of forming the copper wiring, a technique of covering the copper surface with an antioxidant film is generally used. As the antioxidant film, a silicon nitride film or a silicon carbide film that can be formed by chemical vapor deposition without using oxygen is used.

しかしながら、これらの酸化防止膜は、いずれも比誘電率が高く(窒化シリコン膜の比誘電率は8、炭化シリコン膜の比誘電率は5)、配線間の寄生容量の増大を招く結果となる。   However, all of these antioxidant films have a high relative dielectric constant (the relative dielectric constant of the silicon nitride film is 8 and the relative dielectric constant of the silicon carbide film is 5), resulting in an increase in parasitic capacitance between the wirings. .

こうした問題を解決する方策として、無電解メッキにより、銅配線の表面に選択的にキャップメタル膜を設ける技術が知られている。たとえば、銅配線の表面にCoWP層を選択的に形成し、酸化し易い銅表面をCoWPで被覆保護し、しかる後に、酸化性雰囲気で成長される酸化シリコンなどの絶縁膜の成膜を行うことが提案されている。   As a measure for solving such a problem, a technique of selectively providing a cap metal film on the surface of a copper wiring by electroless plating is known. For example, a CoWP layer is selectively formed on the surface of a copper wiring, and a copper surface that is easily oxidized is covered and protected with CoWP, and then an insulating film such as silicon oxide grown in an oxidizing atmosphere is formed. Has been proposed.

ところが、この技術においても以下のような課題があった。すなわち、配線間絶縁膜の表面に残留する銅やコバルト原子を除去する目的でフッ酸等により洗浄処理を行った際、CoWP層がエッチングされ損傷を受け、極端な場合にはCoWP層が消滅することがあった。CoWPはフッ酸等の洗浄液によって浸食されるためである。また、CoWPは銅と比較して酸化しにくいものの、酸化シリコンを形成する化学的気相成長雰囲気にさらされると酸化が起こり、コバルト酸化物が形成されてビアの接続抵抗の増大を招くことがあった。   However, this technique has the following problems. That is, when cleaning treatment is performed with hydrofluoric acid or the like for the purpose of removing copper and cobalt atoms remaining on the surface of the inter-wiring insulating film, the CoWP layer is etched and damaged, and in an extreme case, the CoWP layer disappears. There was a thing. This is because CoWP is eroded by a cleaning liquid such as hydrofluoric acid. Although CoWP is harder to oxidize than copper, oxidation occurs when exposed to a chemical vapor deposition atmosphere that forms silicon oxide, and cobalt oxide is formed, leading to an increase in via connection resistance. there were.

そこで、特許文献1のように、CoWP層を、耐酸化性および耐フッ酸性を有するコバルトシリサイド層で被覆する技術が提案されている。この技術では、図6に示すように、配線間層間膜1の中に、下層銅配線2、上層銅配線3、銅ビア4が形成されており、さらに、下層銅配線2および上層銅配線3の上面には、金属キャップ膜5および金属キャップ膜のシリサイド層6が形成されている。ここで、金属キャップ膜のシリサイド層6は、金属キャップ膜5を形成した後、シランガスにさらすことにより形成されている。   Therefore, as in Patent Document 1, a technique for coating the CoWP layer with a cobalt silicide layer having oxidation resistance and hydrofluoric acid resistance has been proposed. In this technique, as shown in FIG. 6, a lower layer copper interconnect 2, an upper layer copper interconnect 3, and a copper via 4 are formed in an inter-wiring interlayer film 1, and further, a lower layer copper interconnect 2 and an upper layer copper interconnect 3. A metal cap film 5 and a silicide layer 6 of the metal cap film are formed on the upper surface of the metal cap film. Here, the silicide layer 6 of the metal cap film is formed by exposing to a silane gas after forming the metal cap film 5.

特開2002−43315号公報JP 2002-43315 A

しかしながら、上記コバルトシリサイド層の形成のため、配線間の絶縁膜(SiOなど)の表面が、シランガスにさらされる際に、シランの分解によるSi原子の付着により表面が電気的に活性になり、リークが増加する懸念がある。また、エッチング停止層がないために、ビアエッチの際にミスアラインメント部において銅ビア4形成のためのビアホールが下層銅配線2の側面にまで到達し、埋め込み不良を引き起こす原因となる。 However, due to the formation of the cobalt silicide layer, when the surface of the insulating film (such as SiO 2 ) between the wirings is exposed to silane gas, the surface becomes electrically active due to adhesion of Si atoms due to decomposition of silane, There is a concern that leaks will increase. Further, since there is no etching stop layer, a via hole for forming the copper via 4 reaches the side surface of the lower layer copper wiring 2 in the misalignment portion at the time of via etching, which causes a filling defect.

本発明によれば、半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた、凹部を有する絶縁膜と、
前記凹部に埋設された、銅を含む金属膜と、
前記金属膜の上部を覆う金属キャップ膜と、
を備え、
前記金属キャップ膜の少なくとも上部が窒化されていることを特徴とする半導体装置、
が提供される。
According to the present invention, a semiconductor substrate;
An insulating film having a recess provided on the semiconductor substrate;
A metal film containing copper embedded in the recess;
A metal cap film covering the top of the metal film;
With
A semiconductor device characterized in that at least an upper part of the metal cap film is nitrided;
Is provided.

また本発明によれば、
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を選択的に除去して凹部を形成する工程と、
前記凹部の内部に、銅を含む金属膜を形成する工程と、
前記金属膜の表面に金属キャップ膜を形成する工程と、
前記金属キャップ膜の表面および前記絶縁膜の表面を窒化する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法、
が提供される。
Also according to the invention,
Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Selectively removing the insulating film to form a recess;
Forming a metal film containing copper inside the recess;
Forming a metal cap film on the surface of the metal film;
Nitriding the surface of the metal cap film and the surface of the insulating film;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
Is provided.

本発明によれば、金属キャップ膜の上部が窒化された構造を有するため、銅を含む金属膜とその上部に形成される金属膜とのコンタクト箇所の信頼性が向上する。   According to the present invention, since the upper part of the metal cap film has a nitrided structure, the reliability of the contact location between the metal film containing copper and the metal film formed thereon is improved.

図1(a)は、本実施形態における配線構造を示す断面図である。シリコン基板(不図示)上の絶縁膜106の上に、SiCN膜12、SiOC膜14a、SiOC膜14aの表面が窒化して形成されたSiOCN層16、シリコン酸化膜18、SiCN膜20、およびSiOC膜14bがこの順で積層している。SiOC膜14a中およびSiOC膜14b中には、それぞれ第一の銅配線22aおよび第二の銅配線22bが形成されている。なお、「SiOC膜」とは、Si、O、CおよびHを含む膜であって、有機シリコン系原料ガスを用いたプラズマCVD法等により形成される。本実施形態では、多孔質(ポーラス)構造のSiOC膜を用いる。   FIG. 1A is a cross-sectional view showing a wiring structure in the present embodiment. On the insulating film 106 on the silicon substrate (not shown), the SiCN film 12, the SiOC film 14a, the SiOCN layer 16 formed by nitriding the surface of the SiOC film 14a, the silicon oxide film 18, the SiCN film 20, and the SiOC The film 14b is laminated in this order. A first copper wiring 22a and a second copper wiring 22b are formed in the SiOC film 14a and the SiOC film 14b, respectively. The “SiOC film” is a film containing Si, O, C, and H, and is formed by a plasma CVD method or the like using an organic silicon source gas. In this embodiment, a porous (porous) SiOC film is used.

第一の銅配線22aは、それぞれタンタル系バリアメタル膜24aおよび銅膜26aにより構成されている。シリコン酸化膜18中には、第一の銅配線22aの上面と接続する接続プラグ28が形成されている。接続プラグ28は、タンタル系バリアメタル膜30および銅膜32により構成されている。SiOC膜14b中には、接続孔の上面と接続する第二の銅配線22bが形成されている。第二の銅配線22bは、タンタル系バリアメタル膜24bおよび銅膜26bにより構成されている。   The first copper wiring 22a is composed of a tantalum-based barrier metal film 24a and a copper film 26a, respectively. In the silicon oxide film 18, a connection plug 28 connected to the upper surface of the first copper wiring 22 a is formed. The connection plug 28 includes a tantalum-based barrier metal film 30 and a copper film 32. A second copper wiring 22b connected to the upper surface of the connection hole is formed in the SiOC film 14b. The second copper wiring 22b is composed of a tantalum-based barrier metal film 24b and a copper film 26b.

第一の銅配線22a、接続プラグ28、第二の銅配線22bは、それぞれ略同じ幅を有しており、ボーダーレス配線を構成している。   The first copper wiring 22a, the connection plug 28, and the second copper wiring 22b have substantially the same width, and constitute a borderless wiring.

第一の銅配線22aの上面にはキャップメタル34が形成されている。キャップメタル34の構成材料としては、
Co、CoWP、CoWB、CoB、CoP等のコバルト含有金属;
Ni、NiMoP、NiMoB、NiWP、NiWB、NiReP、NiReB、NiB、NiPなどのニッケル含有金属;
Ag、AgCu等の銀含有金属;
等が挙げられる。
A cap metal 34 is formed on the upper surface of the first copper wiring 22a. As a constituent material of the cap metal 34,
Cobalt-containing metals such as Co, CoWP, CoWB, CoB, CoP;
Nickel-containing metals such as Ni, NiMoP, NiMoB, NiWP, NiWB, NiReP, NiReB, NiB, NiP;
Silver-containing metals such as Ag and AgCu;
Etc.

なお、キャップメタル34は、その上面がSiOC膜14aの上面よりも高い位置となるように設けられている。   The cap metal 34 is provided so that the upper surface thereof is higher than the upper surface of the SiOC film 14a.

キャップメタル34の上部には、キャップメタル窒化層35が形成されている。たとえば、キャップメタル34をCoWPで構成した場合、キャップメタル窒化層35は、CoWPNとなる。   A cap metal nitride layer 35 is formed on the cap metal 34. For example, when the cap metal 34 is made of CoWP, the cap metal nitride layer 35 is CoWPN.

キャップメタル34およびキャップメタル窒化層35の膜厚は、たとえば1nm〜100nm、好ましくは10〜50nmとする。このようにすれば、ストレスマイグレーション耐性を確実に向上させることができる。キャップメタル34の膜厚に対するキャップメタル窒化層35の膜厚の比は、たとえば0.1〜1とすることができる。こうすることにより、安定なビアコンタクトを実現することができる。
本実施形態では、
キャップメタル34:5nm
キャップメタル窒化層35:5nm
とする。
キャップメタル34の表面を窒化することにより得られる効果として、上記のほか、配線の電気的特性の安定性向上が挙げられる。たとえばキャップメタル34をCoWPとしたとき、表面窒化によりCoWP膜の熱的安定性が向上する。これにより、窒化していない場合と比較してCu中へのCo拡散による抵抗上昇が抑制される。
The film thickness of the cap metal 34 and the cap metal nitride layer 35 is, for example, 1 nm to 100 nm, preferably 10 to 50 nm. In this way, the stress migration resistance can be reliably improved. The ratio of the thickness of the cap metal nitride layer 35 to the thickness of the cap metal 34 can be set to 0.1 to 1, for example. By doing so, a stable via contact can be realized.
In this embodiment,
Cap metal 34: 5nm
Cap metal nitride layer 35: 5 nm
And
As an effect obtained by nitriding the surface of the cap metal 34, in addition to the above, an improvement in the stability of the electrical characteristics of the wiring can be mentioned. For example, when the cap metal 34 is CoWP, the thermal stability of the CoWP film is improved by surface nitridation. Thereby, compared with the case where it is not nitrided, the increase in resistance due to Co diffusion into Cu is suppressed.

SiOC膜14aの上には、SiOC膜14aの表面が窒化して形成されたSiOCN層16が形成されている。SiOCN層16は、キャップメタル34表面と同時に窒化されたものである。SiOCN層16は、表面に窒素が含まれる領域からなる層であって、その厚みは、たとえば1nm〜100nm、好ましくは2〜50nmとする。シラン処理を行う従来技術では、SiOC膜14aの表面にシリコンが析出するため、本実施形態のような、均一な厚みを持つ窒素の含有層(SiOCN層16)を形成することは困難である。本実施形態では、清浄なSiOC膜14a表面を窒化処理していることにより、このような層が安定的に形成される。
なお、本実施形態では、図1(a)に示すように、キャップメタル窒化層35がキャップメタル34の上面および側面を覆うように形成されているが、図1(b)に示すように、キャップメタル窒化層35がキャップメタル34の上面に積層する形態で形成されていてもよい。
A SiOCN layer 16 formed by nitriding the surface of the SiOC film 14a is formed on the SiOC film 14a. The SiOCN layer 16 is nitrided simultaneously with the surface of the cap metal 34. The SiOCN layer 16 is a layer composed of a region containing nitrogen on the surface, and the thickness thereof is, for example, 1 nm to 100 nm, preferably 2 to 50 nm. In the conventional technique in which silane treatment is performed, since silicon is deposited on the surface of the SiOC film 14a, it is difficult to form a nitrogen-containing layer (SiOCN layer 16) having a uniform thickness as in this embodiment. In the present embodiment, such a layer is stably formed by nitriding the surface of the clean SiOC film 14a.
In this embodiment, as shown in FIG. 1A, the cap metal nitride layer 35 is formed so as to cover the upper surface and the side surface of the cap metal 34, but as shown in FIG. The cap metal nitride layer 35 may be formed so as to be laminated on the upper surface of the cap metal 34.

以下、図1に示した本実施形態における配線構造1の製造方法について、図2〜図4を参照して説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the wiring structure 1 in this embodiment shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

図2(a)は、SiCN膜12およびSiOC膜14aに配線溝が形成された状態を示す。配線溝は、SiCN膜12およびSiOC膜14aを成膜後、その上に、所定形状にパターニングされたレジスト膜(不図示)を設け、SiCN膜12およびSiOC膜14aを段階的にエッチングすることにより形成する。   FIG. 2A shows a state in which wiring grooves are formed in the SiCN film 12 and the SiOC film 14a. The wiring trench is formed by forming a SiCN film 12 and a SiOC film 14a, then providing a resist film (not shown) patterned in a predetermined shape thereon, and etching the SiCN film 12 and the SiOC film 14a stepwise. Form.

次いで、スパッタリング法により、基板全面にTaおよびTaNがこの順で積層したタンタル系バリアメタル膜24aを形成する(図2(b))。
続いて、図2(c)に示すように、タンタル系バリアメタル膜24a上に、銅膜26aを形成し、アニールを行う。
Next, a tantalum-based barrier metal film 24a in which Ta and TaN are laminated in this order is formed on the entire surface of the substrate by sputtering (FIG. 2B).
Subsequently, as shown in FIG. 2C, a copper film 26a is formed on the tantalum-based barrier metal film 24a and annealed.

次に、配線溝外部に成膜された不要な銅膜26aおよびタンタル系バリアメタル膜24aを化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)により除去し、配線溝内部にのみ銅膜26a等を残すようにして第一の銅配線22aを形成する(図2(d))。   Next, unnecessary copper film 26a and tantalum-based barrier metal film 24a formed outside the wiring trench are removed by chemical mechanical polishing (CMP), and the copper film 26a and the like are removed only inside the wiring trench. A first copper wiring 22a is formed so as to remain (FIG. 2D).

つづいて、図2(e)に示すように、第一の銅配線22aの表面にキャップメタル34を形成する。キャップメタル34は、無電解めっき法等により形成することができる。無電解めっきで用いる触媒としては、たとえばパラジウムを用いることができる。また、パラジウム触媒を使わずに銅表面に、ジメチルアミンボラン(DMAB)等を還元剤とする無電解めっきで堆積することができる。キャップメタル34の構成材料は、前述したとおりであり、CoWP等のコバルト含有金属、NiWP等のニッケル含有金属、AgCu等の銀含有金属が例示される。   Subsequently, as shown in FIG. 2E, a cap metal 34 is formed on the surface of the first copper wiring 22a. The cap metal 34 can be formed by an electroless plating method or the like. As a catalyst used in electroless plating, for example, palladium can be used. Further, it can be deposited on the copper surface by electroless plating using dimethylamine borane (DMAB) or the like as a reducing agent without using a palladium catalyst. The constituent material of the cap metal 34 is as described above, and examples include cobalt-containing metals such as CoWP, nickel-containing metals such as NiWP, and silver-containing metals such as AgCu.

以上のようにして作製された構造体に対して、表面窒化処理を行う。これにより、図2(f)に示すように、キャップメタル窒化層35およびSiOCN層16が形成される。表面窒化処理の方法として、NHプラズマ処理、N−Hプラズマ処理、Nプラズマ処理等のプラズマ処理や、NH熱処理(熱窒化)、Nイオン注入等の方法が例示される。本実施形態では、アンモニアプラズマ処理を用いる。 Surface nitriding treatment is performed on the structure manufactured as described above. Thereby, the cap metal nitride layer 35 and the SiOCN layer 16 are formed as shown in FIG. Examples of the surface nitriding treatment include plasma treatment such as NH 3 plasma treatment, N 2 —H 2 plasma treatment, N 2 plasma treatment, NH 3 heat treatment (thermal nitridation), N 2 ion implantation, and the like. In this embodiment, ammonia plasma treatment is used.

その後、図3(a)に示すように、キャップメタル窒化層35およびSiOCN層16の上に、シリコン酸化膜18を成膜する(図3(a))。   Thereafter, as shown in FIG. 3A, a silicon oxide film 18 is formed on the cap metal nitride layer 35 and the SiOCN layer 16 (FIG. 3A).

つづいて、シリコン酸化膜18を選択的にエッチングし、キャップメタル窒化層35の上面に到達する接続孔40を形成する(図3(b))。   Subsequently, the silicon oxide film 18 is selectively etched to form a connection hole 40 reaching the upper surface of the cap metal nitride layer 35 (FIG. 3B).

その後、接続孔40内部を埋め込むように、タンタル系バリアメタル膜30および銅膜32をこの順で形成する(図3(c))。銅膜32は、第一の銅配線22aの銅膜26aと同様のめっき法により成膜する。その後、CMPによる平坦化を行い、接続プラグ28を形成する(図3(d))。   Thereafter, a tantalum-based barrier metal film 30 and a copper film 32 are formed in this order so as to fill the inside of the connection hole 40 (FIG. 3C). The copper film 32 is formed by the same plating method as the copper film 26a of the first copper wiring 22a. Thereafter, planarization by CMP is performed to form connection plugs 28 (FIG. 3D).

その後、前述と同様の工程により、接続プラグ28上に銅配線22bを形成することにより、図1に示す銅配線構造が形成される。銅配線22bの上部にも、銅配線22aと同様、キャップメタルおよびキャップメタル窒化層を形成することができる。   Thereafter, a copper wiring structure shown in FIG. 1 is formed by forming the copper wiring 22b on the connection plug 28 by the same process as described above. A cap metal and a cap metal nitride layer can be formed on the copper wiring 22b as well as the copper wiring 22a.

この後、上述した工程を繰り返すことにより、3層以上の多層配線構造の半導体装置を形成することができる。   Thereafter, by repeating the above-described steps, a semiconductor device having a multilayer wiring structure of three or more layers can be formed.

本実施形態に係る半導体装置は、以下の効果を奏する。
第一に、本実施形態に係る半導体装置は、キャップメタル34の上部がキャップメタル窒化層35で覆われた構造を有するため、銅配線とその上部のビアとのコンタクト箇所の耐酸化性および銅拡散バリア性が向上する。なお、キャップメタル34は、配線間のリーク電流を減らすために、配線間の絶縁膜表面を除去することで、キャップメタル上面がSiOC膜14aの上面よりも高い位置となるように設けられているが、この構造によってビアプラグとのコンタクトを安定的にとることができ、この点からもコンタクト抵抗の安定性等が向上するという効果がある。
The semiconductor device according to this embodiment has the following effects.
First, since the semiconductor device according to the present embodiment has a structure in which the upper portion of the cap metal 34 is covered with the cap metal nitride layer 35, the oxidation resistance of the contact portion between the copper wiring and the upper via and copper Diffusion barrier properties are improved. The cap metal 34 is provided so that the upper surface of the cap metal is higher than the upper surface of the SiOC film 14a by removing the surface of the insulating film between the wires in order to reduce the leakage current between the wires. However, this structure makes it possible to stably contact the via plug, and from this point, there is an effect that the stability of the contact resistance is improved.

第二に、本実施形態に係る半導体装置は、エッチング停止層として機能するSiOCN層16を備えるため、ミスアラインメントによるビアエッチ時の隙間が発生しにくくなり、隙間への銅の埋め込み不良が発生しにくくなる。このため、隙間による製造不良や信頼性劣化を防止することができる。なお、SiOCN層16は、SiOC膜14aの表面を窒化処理して得られる層であるため、従来のように拡散防止膜として窒化膜を設ける場合に比し配線間絶縁膜の誘電率増大を抑制することができ、配線間クロストークの低減にも寄与する。   Second, since the semiconductor device according to the present embodiment includes the SiOCN layer 16 that functions as an etching stop layer, a gap at the time of via etching due to misalignment is less likely to occur, and a copper embedding failure in the gap is less likely to occur. Become. For this reason, it is possible to prevent manufacturing failure and reliability deterioration due to the gap. Since the SiOCN layer 16 is a layer obtained by nitriding the surface of the SiOC film 14a, the increase in the dielectric constant of the inter-wiring insulating film is suppressed as compared with the conventional case where a nitride film is provided as a diffusion prevention film. This contributes to the reduction of crosstalk between wirings.

第三に、SiOC膜14aの表面が窒化処理されてSiOCN層16となっているため、配線間の絶縁膜表面が窒素で不活性化され、リーク電流を低減することができる。従来技術の項で述べたようなキャップメタルのシラン処理を行う場合と異なり、配線間絶縁膜表面をシランガスにさらす必要がなく、シランの分解により生じたSi原子が配線間絶縁膜表面に付着することによるリークの発生もない。なお、本実施形態では、SiOC膜14aが多孔質材料により構成されている。このため、窒化プラズマ処理を行った際、膜中にプラズマが侵入して窒化が促され、所望の厚みのSiOCN層16を安定的に形成することができる。   Third, since the surface of the SiOC film 14a is nitrided to form the SiOCN layer 16, the surface of the insulating film between the wirings is inactivated with nitrogen, and leakage current can be reduced. Unlike the case of performing cap metal silane treatment as described in the section of the prior art, it is not necessary to expose the surface of the inter-wiring insulating film to silane gas, and Si atoms generated by decomposition of silane adhere to the surface of the inter-wiring insulating film. There will be no leakage. In the present embodiment, the SiOC film 14a is made of a porous material. For this reason, when the nitriding plasma treatment is performed, plasma enters the film and nitriding is promoted, so that the SiOCN layer 16 having a desired thickness can be stably formed.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.

たとえば、上記実施の形態では、キャップメタル34の上部がキャップメタル窒化層35で覆われた構造としたが、窒化処理により、キャップメタル34全体が窒化され窒化層となっていてもよい。また、本実施形態では、キャップメタル上面がSiOC膜14aの上面よりも高い位置となるように設けたが、キャップメタル上面がSiOC膜14aの上面よりも低い位置としてもよい。
さらに、本実施形態では、第一の銅配線22aの表面にのみ選択的にキャップメタル34が形成された例を示したが、キャップメタル34が第一の銅配線22aの表面以外の部分にまで広がって形成されSiOC膜14aの表面の一部を覆う形態としてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the upper portion of the cap metal 34 is covered with the cap metal nitride layer 35, but the entire cap metal 34 may be nitrided into a nitride layer by nitriding. In the present embodiment, the upper surface of the cap metal is provided so as to be higher than the upper surface of the SiOC film 14a. However, the upper surface of the cap metal may be lower than the upper surface of the SiOC film 14a.
Further, in the present embodiment, an example in which the cap metal 34 is selectively formed only on the surface of the first copper wiring 22a has been shown, but the cap metal 34 extends to a portion other than the surface of the first copper wiring 22a. It is good also as a form which extends and covers a part of surface of the SiOC film | membrane 14a.

また、本実施形態では、配線間絶縁膜(銅配線22aの下面の水準から上面の水準に至る領域に形成された膜)を多孔質のSiOC膜14aにより構成したが、他の材料により構成することもできる。ここで、絶縁膜の表面は撥水性絶縁材料により構成されていることが好ましい。このようにすれば、配線間の電流リークをより効果的に低減できる。撥水性絶縁材料としては、SiOC,、フッ素含有ポリマー、ポリアリルエーテル(PAE)、ポーラスSiOC、ポーラスPAE等が挙げられる。
配線間絶縁膜は、図4のような2層構造としてもよい。図4に示す銅配線22aの配線間絶縁膜は、多孔質のSiOC膜14aと、その上に設けられた稠密構造(非多孔質)のSiOC膜50aとが積層した構造を有する。こうすることにより、配線間絶縁膜の誘電率低減を図りつつ、配線間絶縁膜表面の機械的強度を向上させ、CMP耐性等を良好にすることができる。
In the present embodiment, the inter-wiring insulating film (film formed in the region from the level of the lower surface of the copper wiring 22a to the level of the upper surface) is configured by the porous SiOC film 14a, but is configured by another material. You can also. Here, the surface of the insulating film is preferably made of a water repellent insulating material. In this way, current leakage between wirings can be more effectively reduced. Examples of the water repellent insulating material include SiOC, fluorine-containing polymer, polyallyl ether (PAE), porous SiOC, and porous PAE.
The inter-wiring insulating film may have a two-layer structure as shown in FIG. The inter-wiring insulating film of the copper wiring 22a shown in FIG. 4 has a structure in which a porous SiOC film 14a and a dense (non-porous) SiOC film 50a provided thereon are laminated. By doing this, while reducing the dielectric constant of the inter-wiring insulating film, the mechanical strength of the inter-wiring insulating film surface can be improved, and the CMP resistance and the like can be improved.

本実施形態では、配線材料として銅を用いた例を示したが、他の金属材料を用いてもよい。たとえば、銀、アルミニウム等の異種元素を含む銅合金としてもよい。   In this embodiment, although the example which used copper as a wiring material was shown, you may use another metal material. For example, a copper alloy containing a different element such as silver or aluminum may be used.

また、配線間絶縁膜は、本実施形態ではCVD−SiOC膜としたが、MSQ(メチルシルセスキオキサン)等の塗布膜や、芳香族炭化水素系化合物等の有機膜を用いてもよい。   In addition, although the inter-wiring insulating film is a CVD-SiOC film in the present embodiment, a coating film such as MSQ (methylsilsesquioxane) or an organic film such as an aromatic hydrocarbon compound may be used.

また、本実施形態ではシングルダマシンプロセスにより形成される配線構造を例に挙げたが、デュアルダマシンプロセスにより形成される配線構造に本発明を適用することもできる。
さらに、図7に示すように、キャップメタル34およびキャップメタル窒化層35が、配線溝の内部に埋め込まれた形状とすることもできる。
本発明は、凹部に銅が埋め込まれてなる配線構造に適用できる。上記実施形態では、銅が配線溝の内部に埋め込まれた構造の例を示したが、銅が孔(ホール)内に埋め込まれた構造にも本発明を適用することができる。
In the present embodiment, the wiring structure formed by the single damascene process is taken as an example, but the present invention can also be applied to a wiring structure formed by the dual damascene process.
Further, as shown in FIG. 7, the cap metal 34 and the cap metal nitride layer 35 may be embedded in the wiring groove.
The present invention can be applied to a wiring structure in which copper is embedded in a recess. In the above-described embodiment, an example of a structure in which copper is embedded in the wiring groove has been described. However, the present invention can also be applied to a structure in which copper is embedded in a hole (hole).

図5は、本実施例に係る半導体装置の構造を示す図である。配線間層間膜1中に、下層銅配線2、上層銅配線3、銅ビア4が形成されている。下層銅配線2および上層銅配線3の上面には、金属キャップ膜5および金属キャップ膜の窒化層7が形成されている。配線間層間膜1の各層の境界には、配線間層間膜の窒化層8が形成されている。   FIG. 5 is a diagram illustrating the structure of the semiconductor device according to the present embodiment. In the inter-wiring interlayer film 1, a lower layer copper wiring 2, an upper layer copper wiring 3, and a copper via 4 are formed. A metal cap film 5 and a nitride layer 7 of the metal cap film are formed on the upper surfaces of the lower layer copper wiring 2 and the upper layer copper wiring 3. A nitride layer 8 of an inter-wiring interlayer film is formed at the boundary of each layer of the inter-wiring interlayer film 1.

金属キャップ膜として、本実施例では、CoWPを用いた。金属キャップ膜の膜厚は100nm、配線間層間膜の窒化層8の膜厚は50nmとした。金属キャップ膜の窒化層7および配線間層間膜の窒化層8の形成方法としては、NH3プラズマ処理を用いた。   In this example, CoWP was used as the metal cap film. The film thickness of the metal cap film was 100 nm, and the film thickness of the nitride layer 8 of the inter-wiring interlayer film was 50 nm. As a method for forming the nitride layer 7 of the metal cap film and the nitride layer 8 of the inter-wiring interlayer film, NH3 plasma treatment was used.

本実施例によれば、金属キャップ膜5の上に金属キャップ膜の窒化層7を形成することにより、金属キャップ膜5の耐酸化性と銅拡散バリア性を向上することができる。また、金属キャップ膜の窒化層7を形成する際、シランガスにさらす必要がなく、したがってシランの分解によるSi原子の付着によりCoWP層表面が電気的に活性化することによりリークが増加する懸念がない。   According to the present embodiment, by forming the nitride layer 7 of the metal cap film on the metal cap film 5, the oxidation resistance and the copper diffusion barrier property of the metal cap film 5 can be improved. Further, when the nitride layer 7 of the metal cap film is formed, it is not necessary to expose to the silane gas, and therefore there is no concern that leakage increases due to the electrical activation of the CoWP layer surface due to the attachment of Si atoms due to decomposition of silane. .

また、配線間層間膜の窒化層8を形成することにより、配線間の絶縁膜表面が窒素で不活性化されることで、リーク電流が低減できる。   Further, by forming the nitride layer 8 of the inter-wiring interlayer film, the surface of the insulating film between the wirings is inactivated with nitrogen, so that leakage current can be reduced.

さらに、配線間層間膜の窒化層8自体は、エッチング停止層として機能し、ミスアラインメントによるビアエッチ時の隙間が発生しにくくなり、隙間への銅の埋め込み不良が発生しにくくなる。これにより、隙間による製造不良や信頼性劣化を防止することができる。メタルキャップの表面が窒化されていない従来技術においては、ビアエッチングのミスアラインメント部で銅ビア4のビアホールが下層銅配線2の側面にまで到達し、埋め込み不良を引き起こす原因となっていた(図6)。これに対し本実施例の配線構造では、窒化層8がエッチング停止層として機能するため銅ビア4のビアホールが下層銅配線2の側面にまで到達することがなく(図5)、コンタクトの信頼性を向上させることができる。   Further, the inter-wiring interlayer nitride layer 8 itself functions as an etching stop layer, so that a gap at the time of via etching due to misalignment is less likely to occur, and copper embedding failure in the gap is less likely to occur. Thereby, it is possible to prevent manufacturing failure and reliability deterioration due to the gap. In the prior art in which the surface of the metal cap is not nitrided, the via hole of the copper via 4 reaches the side surface of the lower layer copper wiring 2 in the misalignment portion of the via etching, which causes a filling defect (FIG. 6). ). On the other hand, in the wiring structure of this embodiment, the nitride layer 8 functions as an etching stop layer, so that the via hole of the copper via 4 does not reach the side surface of the lower layer copper wiring 2 (FIG. 5), and the reliability of the contact Can be improved.

実施の形態に係る配線構造の断面図である。It is sectional drawing of the wiring structure which concerns on embodiment. 図1に示した配線構造の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the wiring structure shown in FIG. 図1に示した配線構造の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the wiring structure shown in FIG. 図1に示した配線構造の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the wiring structure shown in FIG. 実施例に係る配線構造の断面図である。It is sectional drawing of the wiring structure which concerns on an Example. 従来の配線構造の断面図である。It is sectional drawing of the conventional wiring structure. 実施の形態に係る配線構造の断面図である。It is sectional drawing of the wiring structure which concerns on embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 配線間層間膜
2 下層銅配線
3 上層銅配線
4 銅ビア
5 金属キャップ膜
6 金属キャップ膜のシリサイド層
7 金属キャップ膜の窒化層
8 配線間層間膜の窒化層
12 SiCN膜
14a SiOC膜
14b SiOC膜
16 SiOCN層
18 シリコン酸化膜
20 SiCN膜
22a 第一の銅配線
22b 第二の銅配線
24a タンタル系バリアメタル膜
24b タンタル系バリアメタル膜
26a 銅膜
26b 銅膜
28 接続プラグ
30 タンタル系バリアメタル膜
32 銅膜
34 キャップメタル
35 キャップメタル窒化層
40 接続孔
50a 稠密構造(非多孔質)のSiOC膜
50b 稠密構造(非多孔質)のSiOC膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inter-wiring interlayer film 2 Lower layer copper wiring 3 Upper layer copper wiring 4 Copper via 5 Metal cap film 6 Silicide layer 7 of metal cap film Nitride layer 8 of metal cap film Nitride layer 12 of inter-layer interlayer film SiCN film 14a SiOC film 14b SiOC Film 16 SiOCN layer 18 Silicon oxide film 20 SiCN film 22a First copper wiring 22b Second copper wiring 24a Tantalum-based barrier metal film 24b Tantalum-based barrier metal film 26a Copper film 26b Copper film 28 Connection plug 30 Tantalum-based barrier metal film 32 Copper film 34 Cap metal 35 Cap metal nitride layer 40 Connection hole 50a Dense structure (non-porous) SiOC film 50b Dense structure (non-porous) SiOC film

Claims (14)

半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた、凹部を有する絶縁膜と、
前記凹部に埋設された、銅を含む金属膜と、
前記金属膜の上部を覆う金属キャップ膜と、
を備え、
前記金属キャップ膜の少なくとも上部が窒化されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
An insulating film having a recess provided on the semiconductor substrate;
A metal film containing copper embedded in the recess;
A metal cap film covering the top of the metal film;
With
A semiconductor device, wherein at least an upper part of the metal cap film is nitrided.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記凹部が溝部であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the recess is a groove.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記凹部が孔であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the recess is a hole.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記絶縁膜の少なくとも上部が窒化されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein at least an upper portion of the insulating film is nitrided.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記金属キャップ膜は、その上面が前記絶縁膜の上面よりも高い位置となるように設けられていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the metal cap film is provided so that an upper surface thereof is higher than an upper surface of the insulating film.
請求項1に記載の半導体装置において、前記絶縁膜の表面が撥水性絶縁材料により構成されていることを特徴とする半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a surface of the insulating film is made of a water repellent insulating material. 請求項1に記載の半導体装置において、
前記絶縁膜がSiOC膜であって、前記絶縁膜の表面にSiOCN層が設けられていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the insulating film is a SiOC film, and a SiOCN layer is provided on a surface of the insulating film.
請求項7に記載の半導体装置において、
前記SiOC膜が、多孔質材料により構成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 7,
A semiconductor device, wherein the SiOC film is made of a porous material.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記絶縁膜が多孔質材料により構成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein the insulating film is made of a porous material.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記絶縁膜は、第1絶縁膜と、その上部に設けられた前記金属膜の上面と同水準の上面を有する第2絶縁膜とを含む積層構造からなり、
前記第1絶縁膜は多孔質膜であり、前記第2絶縁膜は稠密性の膜であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The insulating film has a laminated structure including a first insulating film and a second insulating film having an upper surface of the same level as the upper surface of the metal film provided thereon,
The semiconductor device, wherein the first insulating film is a porous film, and the second insulating film is a dense film.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記金属膜は金属配線を構成し、
前記金属膜上に、前記金属膜とその上部に設けられた他の金属膜とを電気的に接続する導電プラグを有することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The metal film constitutes a metal wiring,
2. A semiconductor device comprising: a conductive plug for electrically connecting the metal film and another metal film provided on the metal film on the metal film.
請求項11に記載の半導体装置において、
前記導電プラグの幅と前記金属膜の幅とが、略同一であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 11,
The width of the said conductive plug and the width | variety of the said metal film are substantially the same, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を選択的に除去して凹部を形成する工程と、
前記凹部の内部に、銅を含む金属膜を形成する工程と、
前記金属膜の表面に金属キャップ膜を形成する工程と、
前記金属キャップ膜の表面および前記絶縁膜の表面を窒化する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Selectively removing the insulating film to form a recess;
Forming a metal film containing copper inside the recess;
Forming a metal cap film on the surface of the metal film;
Nitriding the surface of the metal cap film and the surface of the insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項13における半導体装置の製造方法であって、
前記金属キャップ膜および前記絶縁膜を窒素含有プラズマ中にさらすことにより、前記金属キャップ膜の表面および前記絶縁膜の表面を窒化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, comprising:
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the surface of the metal cap film and the surface of the insulating film are nitrided by exposing the metal cap film and the insulating film to a nitrogen-containing plasma.
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