JP2007214275A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は表面段差を低減できる半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device capable of reducing a surface step.
近年、多層配線構造における微細化が進展し、特に、130nm以降のプロセス世代では、LSI(Large Scale Integration)に用いる配線材料として、低抵抗であって且つエレクトロマイグレーション耐性に優れた銅が採用されてきている。銅配線を形成する際には、基板上に形成された例えばトレンチ又はスルーホールなどの凹部に銅膜を埋め込む必要があるが、一般に、電解メッキ法が採用されている。これは、電解メッキ法が、量産適用において比較的低コストであって且つ高スループットであり、凹部への埋め込み特性に優れているからである。 In recent years, the miniaturization of multilayer wiring structures has progressed, and in particular, copper having low resistance and excellent electromigration resistance has been adopted as a wiring material used for LSI (Large Scale Integration) in the process generation of 130 nm and later. ing. When forming a copper wiring, it is necessary to embed a copper film in a recess such as a trench or a through hole formed on the substrate, but an electrolytic plating method is generally employed. This is because the electrolytic plating method is relatively low-cost and high-throughput for mass production applications, and has excellent embedding characteristics in the recesses.
電解メッキ法を用いて銅配線を形成するには、一般に、基板上の絶縁膜に形成された凹部の内部に、例えばタンタルなどよりなる拡散防止膜を形成した後に、銅膜よりなる電解メッキ時のシード層を形成する。その後、電解メッキ法を用いて、凹部の内部を埋め込むように銅膜を成膜した後に、CMP法を用いて、凹部の外側に存在している銅膜を除去する。このように、一般にダマシン法と呼ばれる一連の工程を行うことにより、凹部の内部に銅配線を形成する(以上、例えば特許文献1など参照)。
ところで、LSIの微細化が進行するにつれて、例えばトレンチ又はスルーホールなどの凹部のサイズが小さくなるので、電解メッキ時における銅膜の凹部への埋め込み特性を向上させることが必要となる。 By the way, as LSI miniaturization progresses, for example, the size of a recess such as a trench or a through hole becomes smaller, so it is necessary to improve the embedding property of the copper film in the recess during electrolytic plating.
電解メッキ法を用いて凹部の内部に銅を埋め込む際には、硫酸銅溶液などの液体に添加剤を含んだ液体(以下、メッキ液と呼ぶ)が用いられ、このメッキ液は、複数の役割を有する数種類の成分によって構成されている場合が多く、含まれる添加剤によっては、凹部の内部における銅膜の成長の仕方が大きく変わってくる。 When copper is embedded in the recess using the electrolytic plating method, a liquid containing an additive in a liquid such as a copper sulfate solution (hereinafter referred to as a plating solution) is used, and this plating solution has a plurality of roles. In many cases, the copper film is composed of several kinds of components, and depending on the additive contained, the manner in which the copper film grows inside the recess is greatly changed.
ここで、メッキ液に含める一般的な添加剤としては、例えば高分子ポリマーなどのインヒビター(抑制剤)、例えば極性を有する界面活性剤などのレベラー(平滑剤)、及び、例えばイオウ化合物などのブライトナー(光沢剤)などがある。インヒビター又はレベラーは、カソード表面の分極を高めることにより、メッキ膜の成長速度を抑制する作用を有している。また、インヒビターは、高分子量のポリマーなどによって構成されている場合が多いため、空間に占める体積が大きくなるので、狭い凹部に侵入しにくいという性質を有している。さらに、レベラーは、界面活性剤の作用を有すると共に極性を有しているため、凹部のエッジ付近における電解が集中する箇所に付着する傾向があるので、凹部のエッジ付近におけるメッキ膜の成長を阻害して、凹部の上部においてブリッジが形成されることを防止する作用を有していると考えられている。一方、ブライトナーは、イオウ化合物を含むことが多く、カソード表面の分極を低下させることにより、メッキ膜の成長速度を上昇させる作用を有している。 Here, as a general additive included in the plating solution, for example, an inhibitor (suppressor) such as a polymer polymer, a leveler (smoother) such as a polar surfactant, and a bright compound such as a sulfur compound, for example. There is a toner (brightener). Inhibitors or levelers have the effect of suppressing the growth rate of the plating film by increasing the polarization of the cathode surface. In addition, since the inhibitor is often composed of a high molecular weight polymer or the like, the volume occupied in the space becomes large, and therefore, the inhibitor has a property that it is difficult to enter a narrow recess. Furthermore, since the leveler has a surfactant function and polarity, it tends to adhere to the location where the electrolysis concentrates near the edge of the recess, thus inhibiting the growth of the plating film near the edge of the recess. And it is thought that it has the effect | action which prevents that a bridge | bridging is formed in the upper part of a recessed part. On the other hand, brighteners often contain sulfur compounds and have the effect of increasing the growth rate of the plating film by reducing the polarization of the cathode surface.
通常、LSIに用いられる配線は、一定範囲の配線幅を有するように設計される。このため、トレンチ又はスルーホールなどの凹部の開口径が最小であって、且つ良好な埋め込み特性を確保することが困難な部位においては、良好な埋め込み特性が得られるように、メッキ液に含まれる添加剤の調整を行う必要がある。また、添加剤の調整が適当でない場合には、メッキ法によって成長する銅膜が凹部に充分に埋め込まれる前に、凹部の上端部から成長した銅膜が互いに接触することにより、凹部の内部に空孔を残して成長する。このため、メッキ膜を成膜した後に行うCMPにより、絶縁膜の上面を露出させるまでメッキ膜を除去すると、空孔を有する配線が形成されてしまうので、このような配線が形成されないように、メッキ液に含まれる添加剤の調整を行う必要がある。 Usually, the wiring used in the LSI is designed to have a certain range of wiring width. For this reason, in the region where the opening diameter of the concave portion such as a trench or a through hole is the smallest and it is difficult to ensure good embedding characteristics, it is included in the plating solution so that good embedding characteristics can be obtained. It is necessary to adjust the additive. In addition, when the adjustment of the additive is not appropriate, the copper film grown from the upper end of the recess comes into contact with each other before the copper film grown by the plating method is sufficiently embedded in the recess. Grows leaving holes. For this reason, if the plating film is removed until the upper surface of the insulating film is exposed by CMP performed after the plating film is formed, wiring having holes is formed, so that such wiring is not formed. It is necessary to adjust the additive contained in the plating solution.
一方、微細化に対応するために、ボトムアップと呼ばれる膜成長特性が得られるように、メッキ液に含まれる添加剤の調整が行われるようになってきている。ここで、ボトムアップとは、上述の添加剤の各作用を利用することによって、凹部の内部においてはブライトナーの作用で大きくし、凹部の内部における成長速度を他の部分における成長速度よりも速くさせることにより、埋め込み特性を向上させる膜成長特性のことである。ボトムアップは、絶縁膜の表面における最上層での成長速度が遅い一方で、凹部の底部からメッキ膜が優先的に成長するので、凹部の内部に空孔が残存する可能性が低減する。このため、130nmのプロセス世代以降のLSIにおける微細化が進展した配線工程では、高アスペクト比を有する凹部への埋め込み特性を確保する上で、ボトムアップを利用した技術は有効な手段となっている。 On the other hand, in order to cope with miniaturization, an additive contained in a plating solution is adjusted so as to obtain a film growth characteristic called bottom-up. Here, bottom-up means that each of the above-described additives is used to increase the inside of the recess by the action of Brightner, and the growth rate inside the recess is faster than the growth rate in other parts. This is a film growth characteristic that improves the embedding characteristic. In bottom-up, while the growth rate of the uppermost layer on the surface of the insulating film is slow, the plating film grows preferentially from the bottom of the recess, so that the possibility of remaining voids in the recess is reduced. For this reason, in the wiring process in which miniaturization of LSIs after the process generation of 130 nm has progressed, a technique using bottom-up is an effective means for ensuring the embedding characteristics in the recess having a high aspect ratio. .
ボトムアップによって埋め込み特性を向上させる場合、銅膜が埋め込まれる凹部の内部においては、良好な埋め込み特性が実現される一方で、微細な凹部が密に形成されている部分の上部においては、凹部が形成されていない部分上に成膜された銅膜の膜厚よりも厚く盛り上がった凸状の表面が形成される。このように、微細な凹部が密に形成されている領域では、プロトルージョンと呼ばれる盛り上がりが発生する。 When improving the embedding characteristics by bottom-up, good embedding characteristics are realized inside the recesses in which the copper film is embedded, while recesses are formed in the upper part of the densely formed recesses. A convex surface that rises thicker than the thickness of the copper film formed on the unformed part is formed. In this way, in a region where minute concave portions are densely formed, a swell called protrusion occurs.
プロトルージョンの発生は、メッキ液に含まれる添加剤の種類によって異なるが、ブライトナーは、凹部への埋め込みが完了した後にも、凹部の上端部付近におけるメッキ膜上に残留するので、メッキ膜の成長速度が速くなる。このため、プロトルージョンと呼ばれる盛り上がりが発生し、特に、凹部が密に形成される配線密度が高い領域において顕在化して発生する。 Protrusion occurs depending on the type of additive contained in the plating solution.Brightener remains on the plating film near the upper end of the recess even after the recess is completely embedded. The growth rate is faster. For this reason, a swell called protrusion occurs, and in particular, it becomes apparent in a region where the wiring density is high where the concave portions are densely formed.
ここで、図7(a)は、プロトルージョンを説明するための半導体装置の要部断面を示している。 Here, FIG. 7A shows a cross section of a main part of the semiconductor device for explaining the protrusion.
図7(a)に示すように、半導体基板101上の絶縁膜102には、第1の領域Raにおいて、例えばトレンチ又はスルーホールなどであって、開口径が幅広の第1の凹部102aが相対的に疎に形成されており(図上では第1の凹部102aは1つ)、第2の領域Rbにおいて、例えばトレンチ又はスルーホールなどであって、開口径が微細な第2の凹部102bが相対的に密に形成されている(図上では第2の凹部102bは4つ)。第1及び第2の凹部102a及び102bの壁部及び底部を含む絶縁膜102の上にタンタルなどよりなる拡散防止膜102cを形成した後に、PVD法又はCVD法によって形成したシード層を介して、電解メッキ法により、第1及び第2の凹部102a及び102bの内部を埋め込むように銅膜103を形成すると、図7(a)に示すように、第2の領域Rbには、プロトルージョンが形成される。ここで、プロトルージョンは、絶縁膜102における第1及び第2の凹部102a及び102bが形成されていない部分上に形成された銅膜の表面の高さよりも突き出ている凸量(つまり、段差d2)で規定され、段差d2は、通常200nm〜500nmの範囲である。一方、第1の領域Raでは、第1の凹部102aに起因する段差d1が形成され、当該段差d1は約200nmである。このため、引き続き行われるCMP前における段差d1及びd2の合計によって表される初期段差は、約400〜700nmとなる。
As shown in FIG. 7A, the
プロトルージョンは、上述した電解集中又は高分子量による体積の観点から、絶縁膜102に形成される第2の凹部102bの開口径が小さくなればなる程大きく形成されると
絶縁膜102における第2の凹部102bが形成されている部分上に形成された銅膜の膜厚は、絶縁膜102における第2の凹部102bが形成されていない部分上に形成された銅膜の膜厚の約2倍になることもある。
From the viewpoint of electrolytic concentration or volume due to high molecular weight, the proto-trusion becomes larger as the opening diameter of the
これまで、凹部への埋め込み特性を確保した上でプロトルージョンを抑制するために、各デバイスのノード毎に添加剤の組み合わせの最適化が行われてきた。しかしながら、微細化の進展と共に埋め込み特性を確保するためには、ブライトナーの作用を相対的に強める必要があり、その結果、プロトルージョンを抑制することが困難となっている。また、微細化の進展に伴って、第1及び第2の凹部102a及び102bの開口径が縮小されると共に、第1及び第2の凹部102a及び102bの深さが浅くなる傾向があるが、第1及び第2の凹部102a及び102bのアスペクト比は縮小されない。この場合、第1及び第2の凹部102a及び102bの深さの絶対値が縮小されるので、第1及び第2の凹部102a及び102bに埋め込むメッキ膜の総量及び膜厚は縮小するが、成膜されるメッキ膜の膜厚に対するプロトルージョン量は相対的に変化しないことが多い。
Until now, in order to suppress proto-trusion while ensuring the embedding property in the recess, the combination of additives has been optimized for each node of each device. However, in order to ensure the embedding characteristics with the progress of miniaturization, it is necessary to relatively strengthen the action of Brightner, and as a result, it is difficult to suppress the protrusion. As the miniaturization progresses, the opening diameters of the first and
ここで、図7(b)〜(c)は、図7(a)を用いて説明した電解メッキ法による銅膜の成膜後におけるCMPを用いた工程を説明するための図を示している。 Here, FIGS. 7B to 7C are views for explaining a process using CMP after the copper film is formed by the electrolytic plating method described with reference to FIG. .
図7(b)に示すように、電解メッキ法によって銅膜103を成膜した後に行うCMPでは、第1及び第2の凹部102a及び102bの上端が露出する前に、銅膜103の表面を可能な限り平坦化する。その後、図7(c)に示すように、拡散防止膜102c及び絶縁膜102などの異種の膜が露出する前後において、被研磨膜となる複数種類の異種膜に対するCMPの研磨レートを調整することにより、配線が形成される領域以外に存在している銅膜を除去する。このように、第1及び第2の凹部102a及び102bを露出させる前に、銅膜103の表面を可能な限り平坦化することにより、CMPが終了した時点において、配線が形成された領域とそれ以外の領域との段差を低減しようとしている。
As shown in FIG. 7B, in the CMP performed after the
通常、第1及び第2の凹部102a及び102bの深さが約200nmである場合には、電解メッキ法によって形成する銅膜の膜厚は、約600〜1500nmの間で設定されることが多い。この膜厚は、後述するように、CMPによる平坦化性能に依存しているが、第1及び第2の凹部102a及び102bの内部以外に形成される銅膜は全てCMPによって研磨除去される犠牲層となる。
Usually, when the depth of the first and
ここで、CMPにおける平坦化性能は、通常、基板に対する高さが高い領域の第1の研磨レートと基板に対する高さが低い領域の第2の研磨レートとの差によって表される。第1の研磨レートを第2の研磨レートに対して大きくすることができれば、平坦化性能を向上させることができる。このため、上述した初期段差が小さければ、初期段差を解消するために必要な研磨量が低減される、すなわち、少ない研磨量で平坦化を実現することができる。したがって、初期段差を小さくするためには、プロトルージョンによる段差d2を低減することが重要となってくる。 Here, the planarization performance in CMP is generally represented by a difference between a first polishing rate in a region having a high height relative to the substrate and a second polishing rate in a region having a low height relative to the substrate. If the first polishing rate can be made larger than the second polishing rate, the planarization performance can be improved. For this reason, if the above-mentioned initial level difference is small, the amount of polishing required to eliminate the initial level difference is reduced, that is, planarization can be realized with a small level of polishing. Therefore, in order to reduce the initial level difference, it is important to reduce the level difference d2 due to the protrusion.
一方、初期段差が大きい場合、CMP後における段差を解消するために、研磨量を増加させると、CMP時におけるウエハ面内の研磨レートの絶対バラツキが増大する。したがって、この研磨レートのバラツキを吸収する必要がある。例えば、図7(c)に示したように、配線が形成される領域以外に存在している銅膜を除去する工程では、銅膜103におけるプロトルージョンが形成されている部分の膜厚は厚いために、銅膜103の研磨残り105が発生する場合があり、研磨残り105は配線間の短絡を引き起こす原因となる。研磨レートのバラツキを吸収するためには、通常、光学的な方法を用いて、第1及び第2の凹部102a及び102bの内部以外に存在している銅膜が平均的に完全に除去される時間を終点として検出した後に、過研磨時間と呼ばれる研磨を延長して行う時間が必要となる。このため、過研磨時には上述したような異種膜が露出することにより、研磨レートの差により、第1の凹部102aに形成される配線部分にはディッシング106が発生したり、第2の凹部102bに形成される配線部分にはエロージョン107が発生する。このように、ディッシング106又はエロージョン107が発生すると、配線抵抗が増大する。したがって、研磨レートのバラツキを低減することが重要となってくる。
On the other hand, if the initial level difference is large, increasing the polishing amount to eliminate the level difference after CMP increases the absolute variation in the polishing rate within the wafer surface during CMP. Therefore, it is necessary to absorb this variation in polishing rate. For example, as shown in FIG. 7C, in the step of removing the copper film existing outside the region where the wiring is formed, the film thickness of the portion where the protrusion is formed in the
前記に鑑み、本発明の目的は、配線抵抗のバラツキを低減できる半導体装置の製造方法を提供することである。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can reduce variations in wiring resistance.
前記の課題を解決するために、本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法は、基板上に設けられ、トレンチ又はホールとしての複数の凹部を有する絶縁膜の上に、第1の導電膜を形成する工程(a)と、第1の導電膜の表面層を除去する工程(b)と、工程(b)よりも後に、第1の導電膜の上に第2の導電膜を形成する工程(c)と、工程(c)よりも後に、第1の導電膜及び第2の導電膜における複数の凹部の外部に存在する部分を除去する工程(d)とを備える。 In order to solve the above-described problem, a method of manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a first conductive film formed on a substrate and having an insulating film having a plurality of recesses as trenches or holes. Forming a second conductive film on the first conductive film after the step (a) of forming the step, the step (b) of removing the surface layer of the first conductive film, and the step (b). The process (c) and the process (d) which removes the part which exists outside the some recessed part in a 1st electrically conductive film and a 2nd electrically conductive film after a process (c) are provided.
本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法によると、第1の導電膜を形成した後に、第1の導電膜の表面層を除去して第1の導電膜における表面平坦性を向上させると共に、第1の表面層に残存する第1の導電膜の成膜時に用いた添加剤を除去することができる。このため、平坦性が向上した第1の導電膜の上に成膜される第2の導電膜はコンフォーマルに成膜されるので、第2の導電膜を成膜する際のプロトルージョンの発生を抑制し、第2の導電膜の表面平坦性が向上する。したがって、第1の導電膜及び第2の導電膜における複数の凹部の外部に存在する部分を除去する場合には、エロージョン又はディッシングの発生を抑制することができる。その結果、配線抵抗のバラツキを抑制することが可能となる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention, after the first conductive film is formed, the surface layer of the first conductive film is improved by removing the surface layer of the first conductive film. The additive used in forming the first conductive film remaining on the first surface layer can be removed. For this reason, since the second conductive film formed on the first conductive film with improved flatness is formed conformally, generation of protrusion when forming the second conductive film is performed. And the surface flatness of the second conductive film is improved. Therefore, when removing portions of the first conductive film and the second conductive film that exist outside the plurality of recesses, the occurrence of erosion or dishing can be suppressed. As a result, it is possible to suppress variations in wiring resistance.
本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法において、工程(a)及び(c)は、銅を用いた電解メッキ法によって行われることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention, the steps (a) and (c) are preferably performed by an electrolytic plating method using copper.
このようにすると、電解メッキ法によって銅よりなる第1の導電膜を成膜する場合に発生するプロトルージョンを効果的に抑制することができる。 In this way, it is possible to effectively suppress prototrusion that occurs when the first conductive film made of copper is formed by electrolytic plating.
本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法において、第1の導電膜と第2の導電膜とは同一の材料よりなることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention, the first conductive film and the second conductive film are preferably made of the same material.
本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法において、工程(b)は、CMP法により、表面層を全面的に除去する工程を含むことが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention, the step (b) preferably includes a step of removing the entire surface layer by a CMP method.
このように表面層を全面的に除去すれば、例えばプロトルージョンなどの凸部に起因した段差を簡易に低減することができる。 If the surface layer is completely removed in this manner, for example, steps due to convex portions such as protrusion can be easily reduced.
本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法において、工程(b)は、CMP法により、表面層における凸部を選択的に除去する工程を含むことが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention, it is preferable that the step (b) includes a step of selectively removing the protrusions on the surface layer by a CMP method.
このように表面層における凸部を選択的に除去すると、例えばプロトルージョンなどの凸部に起因した段差を効果的に低減し、平坦化をより効果的に実現することができる。また、表面層における凸部のみが選択的に除去されるので、成膜する第1の導電膜の膜厚を薄くすることが可能になる。 Thus, if the convex part in a surface layer is selectively removed, the level | step difference resulting from convex parts, such as a protrusion, can be reduced effectively, and planarization can be implement | achieved more effectively. In addition, since only the convex portions in the surface layer are selectively removed, the film thickness of the first conductive film to be formed can be reduced.
この場合、工程(b)は、不溶解性の錯体を用いて行われることが好ましい。 In this case, the step (b) is preferably performed using an insoluble complex.
このようにすると、CMP法による選択性の高い研磨を行うことができるので、第1の導電膜の表面における凸部をより選択的に除去することができる。 In this way, highly selective polishing by the CMP method can be performed, so that the convex portions on the surface of the first conductive film can be more selectively removed.
本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法において、工程(b)は、ウェットエッチングによって行われることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention, the step (b) is preferably performed by wet etching.
この場合、工程(a)よりも後であって且つ工程(b)よりも前に、第1の導電膜の表面を酸化する工程をさらに備えることが好ましい。 In this case, it is preferable to further include a step of oxidizing the surface of the first conductive film after the step (a) and before the step (b).
このようにすると、第1の導電膜における酸化された表面層を容易に除去することができる。 In this way, the oxidized surface layer in the first conductive film can be easily removed.
本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法において、工程(b)は、ブラシ洗浄によって行われることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention, the step (b) is preferably performed by brush cleaning.
このようにブラシによる物理的な作用によっても第1の導電膜の表面層を除去することができる。 Thus, the surface layer of the first conductive film can be removed also by a physical action by the brush.
この場合、工程(b)は、エッチング液として有機酸を用いて行われることが好ましい。 In this case, the step (b) is preferably performed using an organic acid as an etchant.
このようにすると、第1の導電膜の表面層における表面状態に依存することなく、第1の導電膜の表面層を効果的に除去することができる。特に、第1の導電膜が銅メッキよりなり、メッキ後の洗浄が置換洗浄のみである場合には、銅メッキ表面がアイランド状に酸化されている場合があるので、このような場合に有機酸を用いてブラシ洗浄を行うことにより、表面層に対する物理的な作用による除去に加えて、酸化領域のウェットエッチングが効果的に進行する。 Thus, the surface layer of the first conductive film can be effectively removed without depending on the surface state of the surface layer of the first conductive film. In particular, in the case where the first conductive film is made of copper plating and the cleaning after plating is only replacement cleaning, the surface of the copper plating may be oxidized in an island shape. By performing brush cleaning using, wet etching of the oxidized region effectively proceeds in addition to removal by physical action on the surface layer.
本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法において、工程(a)よりも後であって且つ工程(b)よりも前に、第1の導電膜に対して熱処理を行う工程(e)を含むことが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention, a step (e) of performing a heat treatment on the first conductive film after the step (a) and before the step (b). It is preferable to include.
このようにすると、第1の導電膜の表面層を除去する工程の前に、第1の導電膜の表面の平坦化を進行させることができる。このため、第1の導電膜の表面層を除去した後には、第1の導電膜の表面における段差がより低減される。 In this manner, the surface of the first conductive film can be planarized before the step of removing the surface layer of the first conductive film. For this reason, after the surface layer of the first conductive film is removed, the level difference on the surface of the first conductive film is further reduced.
この場合、工程(e)は、不活性の窒素ガスに還元性を有するガスが添加されてなる雰囲気下にて行われることが好ましい。 In this case, the step (e) is preferably performed in an atmosphere in which a reducing gas is added to an inert nitrogen gas.
このようにすると、第1の導電膜の表面層の除去を安定的に行うことができる。例えば、第1の導電膜が銅よりなる場合には、熱処理時において、銅の酸化が銅膜の内部に及ぶことを防止することができる。 In this way, the surface layer of the first conductive film can be stably removed. For example, when the first conductive film is made of copper, it is possible to prevent copper oxidation from reaching the inside of the copper film during the heat treatment.
また、工程(e)は、熱処理における少なくとも最終段階において、酸素を導入しながら行われることが好ましい。 Further, the step (e) is preferably performed while introducing oxygen at least at the final stage of the heat treatment.
このようにすると、平坦化が進行した第1の導電膜の表面に酸化層を形成することができるので、第1の導電膜の表面層の除去を容易に行うことができる。 In this manner, an oxide layer can be formed on the surface of the first conductive film that has been planarized, so that the surface layer of the first conductive film can be easily removed.
また、工程(e)は、第1の導電膜に含まれる不純物を第1の導電膜の表面に析出させる工程を含むことが好ましい。 Further, the step (e) preferably includes a step of depositing impurities contained in the first conductive film on the surface of the first conductive film.
このようにすると、第1の導電膜の表面層を除去する際に、その表面に析出した不純物を効果的に除去することができる。 In this case, when the surface layer of the first conductive film is removed, impurities deposited on the surface can be effectively removed.
また、工程(c)は、第1の導電膜の表面のうち相対的に低い位置にある部分から優先的に膜成長させることにより、第2の導電膜を形成する工程を含むことが好ましい。 In addition, it is preferable that the step (c) includes a step of forming the second conductive film by preferentially growing the film from a relatively low portion of the surface of the first conductive film.
このように第1の導電膜の表面のうち相対的に低い位置にある部分から膜成長させるボトムアップを利用して第2の導電膜を形成することにより、第2の導電膜の表面がより平坦化される。 In this way, by forming the second conductive film by using bottom-up in which the film is grown from a relatively low portion of the surface of the first conductive film, the surface of the second conductive film is more Flattened.
本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法において、少なくとも凹部の深さに工程(b)で除去される膜厚を加えた膜厚を有する第1の導電膜を形成する工程であることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention, the method may be a step of forming a first conductive film having a thickness obtained by adding at least the depth of the concave portion to the thickness removed in the step (b). preferable.
このようにすると、ウエハ面内における除去のバラツキを低減することができる。 In this way, variations in removal within the wafer surface can be reduced.
本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法によると、配線短絡を生じさせず、且つ、エロージョン又はディッシングなどの発生させない、配線又はプラグなどの導電性パターンを形成することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of one aspect of the present invention, it is possible to form a conductive pattern such as a wiring or a plug that does not cause a wiring short circuit and does not cause erosion or dishing.
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
(First embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described below.
図1(a)〜(d)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す要部断面図であり、図1(a)においては、各図を代表して、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、幅広の開口径を有する第1の凹部12aが相対的に疎に形成される第1の領域Raと、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、微細な開口径を有する第2の凹部12bが相対的に密に形成される第2の領域Rbとを示している。
FIG. 1A to FIG. 1D are cross-sectional views showing a principal part of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention in the order of steps, and FIG. 1A represents each drawing. A first region Ra which is a recess, such as a trench or a through hole (not shown), and which has a wide opening diameter and is relatively sparsely formed; It shows a second region Rb which is a concave portion such as a hole (not shown) and in which the second
なお、本発明の各実施形態では、図上、第1の凹部が1つ、第2の凹部が4つ形成されている場合について説明するが、本発明はこの数に限定されるものではなく、開口径が一方の凹部に対して相対的に大きい凹部が疎に形成されている領域(Ra)と、開口径が他方の凹部に対して相対的に小さい凹部が密に形成されている領域(Rb)とにおいて絶縁膜を形成した場合に生じる段差であれば本発明を適用できるものである。 In each embodiment of the present invention, a case where one first concave portion and four second concave portions are formed in the figure will be described, but the present invention is not limited to this number. A region (Ra) in which a recess having a relatively large opening diameter relative to one recess is formed sparsely, and a region in which a recess having a relatively small opening diameter relative to the other recess is formed densely The present invention can be applied to any level difference generated when an insulating film is formed with respect to (Rb).
まず、図1(a)に示すように、例えばシリコンよりなる半導体基板11上に、例えばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜12を形成する。続いて、例えばドライエッチング法により、第1の領域Raにおいて、絶縁膜12に、幅広の開口径を有する第1の凹部12aを形成し、第2の領域Rbにおいて、絶縁膜12に、微細な開口径を有する第2の凹部12bを形成する。続いて、第1の凹部12a及び第2の凹部12bの底部及び壁部を含む絶縁膜12上に、例えばタンタルなどよりなる拡散防止膜12cを形成する。続いて、PVD法(Phycal Vapor Deposition)又はCVD法(Chemical Vapor Deposition)を用いて、後述する電解メッキ時における銅シード層(図示せず)を形成する。続いて、硫酸銅溶液などの液体に添加剤を含んだ液体(以下、メッキ液と呼ぶ)を用いて、第1の電解メッキ法により、絶縁膜12上に、第1の凹部12a及び第2の凹部12bを埋め込むように、第1の銅膜13を形成する。なお、メッキ液に含める一般的な添加剤としては、前述したように、例えば高分子ポリマーなどのインヒビター(抑制剤)や、例えば極性を有する界面活性剤などのレベラー(平滑剤)、例えばイオウ化合物などのブライトナー(光沢剤)などがある。ここでは、通常、前述したボトムアップを利用して微細な開口径を有する第2の凹部12bへの埋め込み特性を向上させることを目的として例えばブライトナーを含むメッキ液を用いる。このため、第2の領域Rbにおける第2の凹部12bの上部には、第2の凹部12bが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜13の表面高さよりも突き出ているプロトルージョンが形成される。ここで、このプロトルージョンに起因する段差d2は、図示するように、Rbにおける第2の凹部12bが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜13の表面高さよりも突き出ているプロトルージョンの凸量で表される。一方、第1の銅膜13は、第1の領域Raにおける第1の凹部12aの上部では、第1の凹部12aが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜13の表面高さよりも凹んでいる。そして、その凹みに起因する段差d1は、Raにおける第1の凹部12aが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜13の表面高さよりも凹んでいる量で表される。
First, as shown in FIG. 1A, an insulating
また、図1(a)に示す工程では、第1の銅膜13は、第1の凹部12a及び第2の凹部12bの深さ以上の膜厚を有するように形成することが好ましく、さらに、次工程で行う第1のCMPによって第1の銅膜13の表面層を全面的に除去する厚さに第1の凹部12a及び第2の凹部12bの深さを加えた膜厚以上に設定することがなお好ましい。このようにすると、第1のCMP時における研磨レートのウエハ面内のバラツキを低減することができる。
In the step shown in FIG. 1A, the
次に、図1(b)に示すように、第1のCMPにより、図1(a)に示した第1の銅膜13における表面層13aを全面的に研磨によって除去する。なお、図示するように、表面層13aの除去後には第1の銅膜13bが残存している。
Next, as shown in FIG. 1B, the
ここで、第1のCMPでは、スラリーと呼ばれる研磨粒子を含む薬液を研磨パッド上に滴下し、被研磨膜となる第1の銅膜13側を研磨パッドに加圧することにより、表面層13aを研磨除去する。また、研磨によって除去する表面層13aの膜厚は、メッキ液に含まれる添加剤が残留している部分が少なくとも除去できるだけの厚さであれば良い。さらに、研磨レートが制御しやすいプロセスで第1のCMPを行うと良い。具体的には、第1の銅膜13の表面層13aを研磨除去する際には、通常、研磨レートとして約20(nm/分)以上とすることがプロセスの安定性上望ましいため、例えば、第1の凹部12a及び第2の凹部12bの深さが約200nmである場合には、第1のメッキ法によって形成される第1の銅膜13の膜厚は約230nmとなり、第1のCMPにより、表面層13aとして約30nmの膜厚分を研磨除去する。この場合、第1のCMPを行う前における初期段差は、前述したように、図1(a)に示す段差d1とd2との合計によって表されるが、幅広の第1の凹部12aに起因する段差d1の約200nmと、メッキ液に含まれる添加剤の種類にも依存するが、プロトルージョンに起因する段差d2の約150nm程度との合計となり、初期段差(d1+d2)は350nm程度である。
Here, in the first CMP, a chemical solution containing abrasive particles called slurry is dropped on the polishing pad, and the
また、第1のCMPでは、表面層13aを全面的に研磨除去するので、例えば、不織布などの表面追従性に優れた軟質研磨パッドを用いて、第1のCMPを行うことが望ましい。また、軟質研磨パッドは研磨レートを低く制御する上でも効果的である。また、軟質研磨パッドを用いることによって表面層13aの全面に研磨パッドを追従させることができるが、第2の領域Rbにおけるプロトルージョンが形成されている領域では、第1の凹部12a上の領域に比べて研磨時の圧力が大きくなるので、研磨量が多くなって第1の銅膜13bの表面の平坦化が向上する。なお、ここで、軟質パッド及び後述の第2の実施形態における硬質パッドは、それぞれ、例えばショア硬度が10未満のものを軟質パッド、ショア硬度が80以下のものを硬質パッドと定義する場合もあるが、膜厚又は研磨条件などによって変化するものであるので、本実施形態で言う軟質パッドとは第1の銅膜13の表面の全面を研磨によって除去できるものであればよいことを意味する一方、第2の実施形態で言う硬質パッドとは第1の銅膜23の表面における凸部を選択的に除去できるものであればよいことを意味している。
In the first CMP, since the
このようにして、第1の電解メッキ法によって形成され、添加剤が含まれている第1の銅膜13の表面層13aを全面的に除去することにより、メッキ液に含まれる添加剤に起因するプロトルージョンを発生させる原因を一旦除去する。
In this way, the
次に、図1(c)に示すように、第2の電解メッキ法により、第1の銅膜13bの上に、第2の銅膜14を形成する。第2の電解メッキ法による第2の銅膜14の形成の際には、前述した第1の銅膜13の表面層13aの除去と共に添加剤がすでに除去されているので、第2の銅膜14はコンフォーマルに堆積され、プロトルージョンを新たに生じさせることはない。このため、第2の電解メッキ法によって、表面段差が増加することはない。その結果、第2の銅膜14の膜厚としては、後述する第2のCMPにおける平坦化性能にもよるが、例えば、初期段差を解消するために必要な量の研磨を行った場合に、第1の凹部12a及び第2の凹部12bが形成されていない領域における絶縁膜12の表面高さ以上に研磨できるように(すなわち、過研磨が行われないように)設定するとよい。
Next, as shown in FIG. 1C, a
また、通常、配線などが形成される第1の凹部12a及び第2の凹部12bの幅は一定の範囲で設計されているので、前述した図1(b)に示した工程における第1のCMPによって表面層13aを全面的に除去した後に、第1の領域Raにおける第1の凹部12aの上部では、第1の銅膜13bに凹みが残存することになる。そこで、図1(c)に示す工程では、第1の凹部12aの上部における第1の銅膜13bの凹みを利用したボトムアップの膜成長特性が生じるように、第2の電解メッキに用いる添加剤を調整することにより、形成される第2の銅膜14の平坦性をさらに向上させることもできる。
Further, since the widths of the
次に、図1(d)に示すように、第2のCMPにより、第1の凹部12a及び第2の凹部12bの外側に存在している第1の銅膜13b及び第2の銅膜14を除去する。これにより、配線幅が幅広の第1の配線13cと配線幅が微細な第2の配線13dとが形成される。
Next, as shown in FIG. 1 (d), the
以上のように、本発明に係る第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、第1の電解メッキ法によって第1の銅膜13を形成した後に、第1のCMPを用いてその表面層13aを全面的に除去することにより、第1の銅膜13bの表面平坦性を向上させると共に、表面層13aに残留する第1の銅膜13の形成時に用いた添加剤を除去することができる。このため、添加剤を含む表面層13aが除去されて残存する第1の銅膜13bの上に、第2の電解メッキ法によって第2の銅膜14を形成すると、第2の銅膜14はコンフォーマルに形成され、プロトルージョンの発生を抑制して初期段差が低減し、第2の銅膜14の表面平坦性が向上する。したがって、第2のCMPにより、第1の凹部12a及び第2の凹部12bの外側に存在している第1の銅膜13b及び第2の銅膜14を除去すると、エロージョン又はディッシングの発生が抑制される。その結果、配線抵抗のバラツキを抑制することが可能となる。
As described above, according to the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, after the
例えば、バリア膜やシード膜の堆積後、Cu膜のメッキ前の状態で溝深さが200nm、溝幅が500nmの部位においては、メッキ法によるCu膜の形成が230nmの場合に、Cu膜がメッキ法により下地溝段差に追従してコンフォーマルに形成された場合、メッキ法やメッキ液にも依存するが、最大でプロセス溝の中心付近に深さ200nm、幅約40nmの凹部が残存することになる。Cu膜全面の表面層を除去するプロセス条件に依存するが、このような狭い凹部では第1のCMPにより表面層を30nm除去した場合に、凹部両側の約30nmのみ研磨除去され、深さ170nm、幅約40nmの凹段差が残留する。このように狭い幅で残存した凹部は第2の電解メッキ法によるCu膜の形成の際に、ボトムアップの作用が働き、従来の1回の電解メッキによるCu膜形成で残存する幅広配線部の段差を低減することが可能となる。 For example, after depositing a barrier film or a seed film, in a state where the groove depth is 200 nm and the groove width is 500 nm before the Cu film is plated, if the formation of the Cu film by the plating method is 230 nm, the Cu film When conformally formed following the underlying groove step by plating, a recess with a maximum depth of 200 nm and a width of about 40 nm remains near the center of the process groove, depending on the plating method and plating solution. become. Depending on the process conditions for removing the surface layer on the entire surface of the Cu film, in such a narrow recess, when the surface layer is removed by 30 nm by the first CMP, only about 30 nm on both sides of the recess is polished and removed, and the depth is 170 nm. A concave step with a width of about 40 nm remains. The concave portion remaining in such a narrow width acts as a bottom-up when the Cu film is formed by the second electrolytic plating method, and the wide wiring portion remaining in the conventional Cu film formation by one electrolytic plating is used. The step can be reduced.
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
(Second Embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described below.
図2(a)〜(d)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す要部断面図であり、図2(a)においては、各図を代表して、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、幅広の開口径を有する第1の凹部22aが相対的に疎に形成される第1の領域Raと、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、微細な開口径を有する第2の凹部22bが相対的に密に形成される第2の領域Rbとを示している。
FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views showing the main part of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention in the order of steps, and FIG. 2A represents each drawing. A first region Ra which is a recess such as a trench or a through hole (not shown), and has a relatively wide
まず、図2(a)に示すように、例えばシリコンよりなる半導体基板21上に、例えばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜22を形成する。続いて、例えばドライエッチング法により、第1の領域Raにおいて、絶縁膜22に、幅広の開口径を有する第1の凹部22aを形成し、第2の領域Rbにおいて、絶縁膜22に、微細な開口径を有する第2の凹部22bを形成する。続いて、第1の凹部22a及び第2の凹部22bの底部及び壁部を含む絶縁膜22上に、例えばタンタルなどよりなる拡散防止膜22cを形成する。続いて、PVD法(Phycal Vapor Deposition)又はCVD法(Chemical Vapor Deposition)を用いて、後述する電解メッキ時における銅シード層(図示せず)を形成する。続いて、第1の実施形態と同様のメッキ液を用いて、第1の電解メッキ法により、絶縁膜22上に、第1の凹部22a及び第2の凹部22bを埋め込むように、第1の銅膜23を形成する。ここで、通常、前述したボトムアップを利用して微細な開口径を有する第2の凹部22bへの埋め込み特性を向上させる目的で例えばブライトナーを含むメッキ液を用いることは第1の実施形態と同様である。このため、第2の領域Rbにおける第2の凹部22bの上部には、第2の凹部22bが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜23の表面高さよりも突き出ているプロトルージョンが形成される。一方、第1の銅膜23は、第1の領域Raにおける第1の凹部22aの上部では、第1の凹部22aが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜23の表面高さよりも凹んでいる。なお、前述した第1の実施形態と同様に、第1の領域Raにおける凹みに起因する段差をd1とすると共に、第2の領域Rbにおけるプロトルージョンに起因する段差をd2として示している。
First, as shown in FIG. 2A, an insulating
また、図2(a)に示す工程では、第1の銅膜23は、第1の凹部22a及び第2の凹部22bの深さ以上の膜厚を有するように形成することが好ましく、さらに、第1の凹部22a及び第2の凹部22bの深さに次工程で行う第1のCMPによって第1の銅膜23の凸部23aを選択的に除去する厚さを加えた膜厚を有するように形成することが好ましい。このようにすると、第1のCMP時における研磨レートのウエハ面内のバラツキを低減することができる。
In the step shown in FIG. 2A, the
次に、図2(b)に示すように、第1のCMPにより、図2(a)に示した第1の銅膜23の表面層における凸部23aを選択的に研磨によって除去する。なお、図示するように、凸部23aの除去後には第1の銅膜23bが残存する。
Next, as shown in FIG. 2B, the
ここで、第1のCMPでは、スラリーと呼ばれる研磨粒子を含む薬液を研磨パッド上に滴下し、被研磨膜となる第1の銅膜23側を研磨パッドに加圧することにより、凸部23aを研磨除去する。ここで、第1の銅膜23における凸部23aを選択的に研磨除去するためには、表面の追従性が低い硬質パッドを用いることが望ましい。また、この場合、硬質パッドの変形に起因する第1の銅膜23表面への追従を抑制するために、第1のCMP時の加工圧力は2Psi以下であることが望ましい。さらに、図2(b)に示すように、この第1のCMPにおける選択性を高める目的で、研磨パッドが接触する程度が低い第1の領域Raにおける第1の銅膜23の凹み部分に、不溶解性錯体24を形成した後に、第1のCMPを行うことがより望ましい。この場合、第1のCMP後においてもわずかながら残存している第1の領域Raにおける凹み部分には、前述した不溶解性錯体24が残留しているので、次工程である第2の電解メッキを行う前には、例えば逆バイアスを印加する等により、不溶解性錯体24が残留している領域を除去することが必要となる。
Here, in the first CMP, a chemical solution containing abrasive particles called a slurry is dropped on the polishing pad, and the
また、第1のCMPでは、第1の銅膜23の凸部23aにおける第2の凹部22b上の部分の最も高い箇所で約30nm分を除去する。したがって、例えば、第1の凹部22a及び第2の凹部22bの深さが約200nmである場合には、図1(a)に示す工程における第1のメッキ法によって形成する第1の銅膜23の膜厚としては約230nmで足りる。このように、第1のCMPによって第1の銅膜23の表面における凸部23aを選択的に除去することにより、成膜する第1の銅膜23の膜厚を低減することができる。このため、第1のCMPを行う前における初期段差は、前述したように、図1(a)に示す段差d1とd2との合計によって表されるが、幅広の第1の凹部22aに起因する段差d1の約200nmと、メッキ液に含まれる添加剤の種類にも依存するが、プロトルージョンに起因する段差d2の約50nm程度との合計となり、初期段差(d1+d2)は250nm程度である。初期段差が低減されているので、本実施形態では、第1のCMP及び後述の第2のCMP後における表面平坦性をより向上させることができる。
Further, in the first CMP, about 30 nm is removed at the highest portion of the
次に、図2(c)に示すように、第2の電解メッキ法により、第1の銅膜23bの上に、第2の銅膜25を形成する。第2の電解メッキ法による第2の銅膜25の形成の際には、前述した第1の銅膜23の凸部23aの除去と共に、凸部では添加剤も同時に除去されているので、第2の銅膜25はコンフォーマルに堆積され、プロトルージョンを新たに生じさせることはない。このため、第2の電解メッキ法によって、表面段差が増加することはない。このため、第2の銅膜25の膜厚としては、後述する第2のCMPにおける平坦化性能にもよるが、例えば、初期段差を解消するために必要な量の研磨を行った場合に、第1の凹部22a及び第2の凹部22bが形成されていない領域における絶縁膜22の表面高さ以上に研磨できるように(すなわち、過研磨が行われないように)設定するとよい。
Next, as shown in FIG. 2C, a
また、通常、配線などが形成される第1の凹部22a及び第2の凹部22bの幅は一定の範囲で設計されているので、前述した図2(b)に示した工程における第1のCMPによって凸部23bが選択的に除去された後に、本実施形態であっても、第1の領域Raにおける第2の凹部22aの上部では、第1の銅膜23bに凹みが残存することになる。そこで、図2(c)に示す工程では、第1の凹部22aの上部における第1の銅膜23bの凹みを利用したボトムアップの膜成長特性が生じるように、第2の電解メッキに用いるメッキ液に加える添加剤を調整することにより、形成される第2の銅膜25の平坦性をさらに向上させることもできる。
In addition, since the widths of the
次に、図2(d)に示すように、第2のCMPにより、第1の凹部22a及び第2の凹部22bの外側に存在している第1の銅膜23b及び第2の銅膜25を除去する。これにより、配線幅が幅広の第1の配線23cと配線幅が微細な第2の配線23dとが形成される。
Next, as shown in FIG. 2D, the
以上のように、本発明に係る第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、第1の電解メッキ法によって第1の銅膜23を形成した後に、第1のCMPを用いてその表面における凸部23aを選択的に除去することにより、第1の銅膜23bの表面平坦性を向上させると共に、凸部23aに残存する第1の銅膜23の形成時に用いた添加剤を除去することができる。このため、添加剤を含む表面層23aが除去されて残存する第1の銅膜23bの上に、第2の電解メッキ法によって第2の銅膜25を形成すると、第2の銅膜25はコンフォーマルに形成され、プロトルージョンの発生を抑制して初期段差が低減し、第2の銅膜25の表面平坦性が向上する。特に、第2の実施形態では、第1の銅膜23における凸部23aを選択的に除去することにより、凸部23a除去後における第1の銅膜23b及びその後に成膜される第2の銅膜25の表面平坦性がより向上する。したがって、第2のCMPにより、第1の凹部22a及び第2の凹部22bの外側に存在している第1の銅膜23b及び第2の銅膜25を除去すると、エロージョン又はディッシングの発生をより抑制することができる。その結果、配線抵抗のバラツキをより抑制することが可能となる。また、第1の銅膜23における凸部23aを選択的に除去し、第1の凹部22a上に形成される第1の銅膜23の凹み部分はほとんど除去されないので、成膜する第1の銅膜23の膜厚を低減することができる。
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, after the
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
(Third embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described below.
図3(a)〜(d)は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す要部断面図であり、図3(a)においては、各図を代表して、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、幅広の開口径を有する第1の凹部42aが相対的に疎に形成される第1の領域Raと、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、微細な開口径を有する第2の凹部42bが相対的に密に形成される第2の領域Rbとを示している。
FIGS. 3A to 3D are cross-sectional views of relevant parts showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention in the order of steps, and FIG. 3A represents each drawing. A first region Ra which is a concave portion such as a trench or a through hole (not shown) and which has a wide opening diameter and is relatively sparsely formed; The second region Rb is a concave portion such as a hole (not shown), and the second
まず、図3(a)に示すように、例えばシリコンよりなる半導体基板41上に、例えばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜42を形成する。続いて、例えばドライエッチング法により、第1の領域Raにおいて、絶縁膜42に、幅広の開口径を有する第1の凹部42aを形成し、第2の領域Rbにおいて、絶縁膜42に、微細な開口径を有する第2の凹部42bを形成する。続いて、第1の凹部42a及び第2の凹部42bの底部及び壁部を含む絶縁膜42上に、例えばタンタルなどよりなる拡散防止膜42cを形成する。続いて、PVD法(Phycal Vapor Deposition)又はCVD法(Chemical Vapor Deposition)を用いて、後述する電解メッキ時における銅シード層(図示せず)を形成する。続いて、第1の実施形態と同様のメッキ液を用いて、第1の電解メッキ法により、絶縁膜42上に、第1の凹部42a及び第2の凹部42bを埋め込むように、第1の銅膜43を形成する。ここで、通常、前述したボトムアップを利用して微細な開口径を有する第2の凹部42bへの埋め込み特性を向上させる目的で例えばブライトナーを含むメッキ液を用いことは第1の実施形態と同様である。このため、第2の領域Rbにおける第2の凹部42bの上部には、第2の凹部42bが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜43の表面高さよりも突き出ているプロトルージョンが形成される。一方、第1の銅膜43は、第1の領域Raにおける第1の凹部42aの上部では、第1の凹部42aが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜43の表面高さよりも凹んでいる。なお、前述した第1の実施形態と同様に、第1の領域Raにおける凹みに起因する段差をd1とすると共に、第2の領域Rbにおけるプロトルージョンに起因する段差をd2として示している。
First, as shown in FIG. 3A, an insulating
また、図3(a)に示す工程では、第1の銅膜43は、第1の凹部42a及び第2の凹部42bの深さ以上の膜厚を有するように形成することが好ましく、さらに、第1の凹部42a及び第2の凹部42bの深さに次工程(図3(b)参照)で行うウェットエッチングによって第1の銅膜43の表面層43aを全面的に除去する厚さを加えた膜厚を有するように形成することが好ましい。このようにすると、ウェットエッチング時におけるエッチングレートのウエハ面内のバラツキを低減することができる。
In the step shown in FIG. 3A, the
次に、図3(b)に示すように、例えば希硫酸などの無機酸を用いて、ウェットエッチングによって、第1の銅膜43における表面層43aを全面的に除去する。なお、図示するように、表面層43aの除去後には第1の銅膜43bが残存している。
Next, as shown in FIG. 3B, the
ここで、ウェットエッチングとしては、通常、スピンリンス機能を有する製造装置を用いる。また、ウェットエッチングによって除去する表面層43aの膜厚は、メッキ液に含まれる添加剤が残留している部分が少なくとも除去できるだけの厚さであれば良く、さらに、エッチングレートが制御しやすいプロセスでウェットエッチングを行うと良い。具体的には、第1の銅膜43aをウェットエッチングによって除去する際には、通常、エッチングレートとして約30(nm/分)以上とすることがプロセスの制御性上の制約となるため、例えば、第1の凹部42a及び第2の凹部42bの深さが約200nmである場合には、第1のメッキ法によって形成される第1の銅膜43の膜厚は約230nmとなり、ウェットエッチングにより、表面層43aとして約30nmの膜厚分をエッチング除去する。この場合、ウェットエッチングを行う前における初期段差は、前述したように、図3(a)に示す段差d1とd2との合計によって表されるが、幅広の第1の凹部42aに起因する段差d1の約200nmと、メッキ液に含まれる添加剤の種類にも依存するが、プロトルージョンに起因する段差d2の約150nm程度との合計となり、初期段差(d1+d2)は350nm程度である。
Here, as wet etching, a manufacturing apparatus having a spin rinse function is usually used. Further, the film thickness of the
次に、図3(c)に示すように、第2の電解メッキ法により、第1の銅膜43bの上に、第2の銅膜44を形成する。第2の電解メッキ法による第2の銅膜44の形成の際には、前述した第1の銅膜43の表面層43aの除去と共に添加剤がすでに除去されているので、第2の銅膜44はコンフォーマルに堆積され、プロトルージョンを新たに生じさせることはない。このため、第2の電解メッキ法によって、表面段差が増加することはない。このため、第2の銅膜44の膜厚としては、後述するCMPにおける平坦化性能にもよるが、例えば、初期段差を解消するために必要な量の研磨を行った場合に、第1の凹部42a及び第2の凹部42bが形成されていない領域における絶縁膜42の表面高さ以上に研磨できるように(すなわち、過研磨が行われないように)設定するとよい。
Next, as shown in FIG. 3C, a
また、通常、配線などが形成される第1の凹部42a及び第2の凹部42bの幅は一定の範囲で設計されているので、前述した図3(b)に示した工程におけるウェットエッチングによって表面層43aを全面的に除去した後に、第1の領域Raにおける第1の凹部42aの上部では、第1の銅膜43bに凹みが残存することになる。そこで、図4(c)に示す工程では、第1の凹部42aの上部における第1の銅膜43bの凹みを利用したボトムアップの膜成長特性が生じるように、第2の電解メッキに用いる添加剤を調整することにより、形成される第2の銅膜44の平坦性をさらに向上させることもできる。
In addition, since the width of the first
次に、図3(d)に示すように、CMPにより、第1の凹部42a及び第2の凹部42bの外側に存在している第1の銅膜43b及び第2の銅膜44を除去する。これにより、配線幅が幅広の第1の配線43cと配線幅が微細な第2の配線43dとが形成される。
Next, as shown in FIG. 3D, the
以上のように、本発明に係る第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、第1の電解メッキ法によって第1の銅膜43を形成した後に、ウェットエッチングによってその表面層43aを全面的に除去することにより、第1の銅膜43bの表面平坦性を向上させると共に、表面層43aに残存する第1の銅膜43の形成時に用いた添加剤を除去することができる。このため、添加剤を含む表面層43aが除去されて残存する第1の銅膜43bの上に、第2の電解メッキ法によって第2の銅膜44を形成すると、第2の銅膜44はコンフォーマルに形成され、プロトルージョンの発生を抑制して初期段差が低減し、第2の銅膜44の表面平坦性が向上する。したがって、CMPにより、第1の凹部42a及び第2の凹部42bの外側に存在している第1の銅膜43b及び第2の銅膜44を除去すると、エロージョン又はディッシングの発生が抑制される。その結果、配線抵抗のバラツキを抑制することが可能となる。
As described above, according to the manufacturing method of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, after the
(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
(Fourth embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention will be described below.
図4(a)〜(d)は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す要部断面図であり、図4(a)においては、各図を代表して、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、幅広の開口径を有する第1の凹部52aが相対的に疎に形成される第1の領域Raと、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、微細な開口径を有する第2の凹部52bが相対的に密に形成される第2の領域Rbとを示している。
4 (a) to 4 (d) are cross-sectional views of relevant parts showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention in the order of steps, and FIG. 4 (a) represents each drawing. A first region Ra which is a concave portion such as a trench or a through hole (not shown) and which has a wide opening diameter and is relatively sparsely formed; The second region Rb is a concave portion such as a hole (not shown), and the second
まず、図4(a)に示すように、例えばシリコンよりなる半導体基板51上に、例えばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜52を形成する。続いて、例えばドライエッチング法により、第1の領域Raにおいて、絶縁膜52に、幅広の開口径を有する第1の凹部52aを形成し、第2の領域Rbにおいて、絶縁膜52に、微細な開口径を有する第2の凹部52bを形成する。続いて、第1の凹部52a及び第2の凹部52bの底部及び壁部を含む絶縁膜52上に、例えばタンタルなどよりなる拡散防止膜52cを形成する。続いて、PVD法(Phycal Vapor Deposition)又はCVD法(Chemical Vapor Deposition)を用いて、後述する電解メッキ時における銅シード層(図示せず)を形成する。続いて、第1の実施形態と同様のメッキ液を用いて、第1の電解メッキ法により、絶縁膜52上に、第1の凹部52a及び第2の凹部52bを埋め込むように、第1の銅膜53を形成する。ここで、通常、前述したボトムアップを利用して微細な開口径を有する第2の凹部52bへの埋め込み特性を向上させる目的で例えばブライトナーを含むメッキ液を用いることは第1の実施形態と同様である。このため、第2の領域Rbにおける第2の凹部52bの上部には、第2の凹部52bが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜53の表面高さよりも突き出ているプロトルージョンが形成される。一方、第1の銅膜53は、第1の領域Raにおける第1の凹部52aの上部では、第1の凹部52aが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜53の表面高さよりも凹んでいる。なお、前述した第1の実施形態と同様に、第1の領域Raにおける凹みに起因する段差をd1とすると共に、第2の領域Rbにおけるプロトルージョンに起因する段差をd2として示している。
First, as shown in FIG. 4A, an insulating
また、図4(a)に示す工程では、第1の銅膜53は、第1の凹部52a及び第2の凹部52bの深さ以上の膜厚を有するように形成することが好ましく、さらに、第1の凹部52a及び第2の凹部52bの深さに次工程(図4(b)参照)で行う酸化処理によって第1の銅膜53が酸化される膜厚(数nm)を加えた膜厚を有するように形成することが好ましい。このようにすると、第1のCMP時(図4(c)参照)における研磨レートのウエハ面内のバラツキを低減することができる。
In the step shown in FIG. 4A, the
次に、図4(b)に示すように、例えばオゾン水を用いて、第1の銅膜53における表面層の数nm分を全面的に酸化して表面酸化層53aを形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, the
次に、図4(c)に示すように、例えば、シュウ酸又はクエン酸などの有機酸を用いたウェットエッチングにより、第1の銅膜53におけるオゾンによって酸化された表面酸化層53aのみを除去する。なお、図示するように、表面酸化層53aの除去後には第1の銅膜53bが残存している。
Next, as shown in FIG. 4C, only the
ここで、有機酸は、銅の酸化層のみを溶解する特性を有するので、オゾン水による酸化量を制御することによって極めて薄い表面酸化層53aを形成し、その後、有機酸によってその膜厚が薄い表面酸化層53aを除去することができる。この場合、表面酸化層53aには、第1の電解メッキ時に用いたメッキ液に含まれる添加剤が残留しているので、本工程において、プロトルージョンの発生の原因となる添加剤を除去することができる。また、有機酸は酸化された銅に対して溶解する一方で、酸化されていないバルクの銅に対しては溶解しないので、第1の銅膜53において酸化し除去する表面厚さを極めて精度良く調整することができる。なお、この場合、表面酸化層53aを除去する前における初期段差は、前述したように、図4(a)に示す段差d1とd2との合計によって表されるが、幅広の第1の凹部52aに起因する段差d1の約200nmと、メッキ液に含まれる添加剤の種類にも依存するが、プロトルージョンに起因する段差d2の約150nm程度との合計となり、初期段差(d1+d2)は350nm程度である。
Here, since the organic acid has a property of dissolving only the copper oxide layer, an extremely thin
次に、図4(d)に示すように、第2の電解メッキ法により、第1の銅膜53bの上に、第2の銅膜54を形成する。第2の電解メッキ法による第2の銅膜54の形成の際には、前述した第1の銅膜53の表面酸化層53aの除去と共に添加剤がすでに除去されているので、第2の銅膜54はコンフォーマルに堆積され、プロトルージョンを新たに生じさせることはない。このため、第2の電解メッキ法によって、表面段差が増加することはない。このため、第2の銅膜54の膜厚としては、後述するCMPにおける平坦化性能にもよるが、例えば、初期段差を解消するために必要な量の研磨を行った場合に、第1の凹部52a及び第2の凹部52bが形成されていない領域における絶縁膜52の表面高さ以上に研磨できるように(すなわち、過研磨が行われないように)設定するとよい。
Next, as shown in FIG. 4D, a
また、通常、配線などが形成される第1の凹部52a及び第2の凹部52bの幅は一定の範囲で設計されているので、前述した図4(c)に示した工程における表面酸化層53aを除去した後に、第1の領域Raにおける第1の凹部52aの上部では、第1の銅膜53bに凹みが残存することになる。そこで、図4(c)に示す工程では、第1の凹部52aの上部における第1の銅膜53bの凹みを利用したボトムアップの膜成長特性が生じるように、第2の電解メッキに用いる添加剤を調整することにより、形成される第2の銅膜54の平坦性をさらに向上させることもできる。
Further, since the widths of the
次に、図4(e)に示すように、CMPにより、第1の凹部52a及び第2の凹部52bの外側に存在している第1の銅膜53b及び第2の銅膜54を除去する。これにより、配線幅が幅広の第1の配線53cと配線幅が微細な第2の配線53dとが形成される。
Next, as shown in FIG. 4E, the
以上のように、本発明に係る第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、第1の電解メッキ法によって第1の銅膜53を形成した後に、第1の銅膜53の表面酸化層53aを形成し、その後、有機酸を用いて表面酸化層53aを除去することにより、表面酸化層53aに残存する第1の銅膜53の形成時に用いたメッキ液中の添加剤を除去することができる上に、有機酸を用いることによって除去する表面酸化層53aの膜厚を精度良く調整することができる。このため、添加剤を含む表面酸化層53aが除去されて残存する第1の銅膜53bの上に、第2の電解メッキ法によって第2の銅膜54を形成すると、第2の銅膜54はコンフォーマルに形成され、プロトルージョンの発生を抑制して初期段差が低減し、第2の銅膜54の表面平坦性が向上する。したがって、CMPにより、第1の凹部52a及び第2の凹部52bの外側に存在している第1の銅膜53b及び第2の銅膜54を除去すると、エロージョン又はディッシングの発生を抑制することができる。その結果、配線抵抗のバラツキが抑制される。
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention, after forming the
(第5の実施形態)
以下、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
(Fifth embodiment)
Hereinafter, a method for fabricating a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention will be described.
図5(a)〜(d)は、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す要部断面図であり、図5(a)においては、各図を代表して、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、幅広の開口径を有する第1の凹部22aが相対的に疎に形成される第1の領域Raと、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、微細な開口径を有する第2の凹部22bが相対的に密に形成される第2の領域Rbとを示している。
FIG. 5A to FIG. 5D are cross-sectional views showing the principal part of the semiconductor device manufacturing method according to the fifth embodiment of the present invention in the order of steps, and FIG. 5A represents each drawing. A first region Ra which is a recess such as a trench or a through hole (not shown), and has a relatively wide
まず、図5(a)に示すように、例えばシリコンよりなる半導体基板61上に、例えばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜62を形成する。続いて、例えばドライエッチング法により、第1の領域Raにおいて、絶縁膜62に、幅広の開口径を有する第1の凹部62aを形成し、第2の領域Rbにおいて、絶縁膜62に、微細な開口径を有する第2の凹部62bを形成する。続いて、第1の凹部62a及び第2の凹部62bの底部及び壁部を含む絶縁膜62上に、例えばタンタルなどよりなる拡散防止膜62cを形成する。続いて、PVD法(Phycal Vapor Deposition)又はCVD法(Chemical Vapor Deposition)を用いて、後述する電解メッキ時における銅シード層(図示せず)を形成する。続いて、第1の実施形態と同様のメッキ液を用いて、第1の電解メッキ法により、絶縁膜62上に、第1の凹部62a及び第2の凹部62bを埋め込むように、第1の銅膜63を形成する。ここで、通常、前述したボトムアップを利用して微細な開口径を有する第2の凹部62bへの埋め込み特性を向上させる目的で例えばブライトナーを含むメッキ液を用いることは第1の実施形態と同様である。このため、第2の領域Rbにおける第2の凹部62bの上部には、第2の凹部62bが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜63の表面高さよりも突き出ているプロトルージョンが形成される。一方、第1の銅膜63は、第1の領域Raにおける第1の凹部62aの上部では、第1の凹部62aが形成されている領域以外の領域上に形成された第1の銅膜63の表面高さよりも凹んでいる。なお、前述した第1の実施形態と同様に、第1の領域Raにおける凹みに起因する段差をd1とすると共に、第2の領域Rbにおけるプロトルージョンに起因する段差をd2として示している。
First, as shown in FIG. 5A, an insulating
また、図5(a)に示す工程では、第1の銅膜63は、第1の凹部62a及び第2の凹部62bの深さ以上の膜厚を有するように形成することが好ましく、さらに、第1の凹部62a及び第2の凹部62bの深さに次工程で行う第1のCMPによって第1の銅膜63の表面層63aを選択的に除去する厚さを加えた膜厚を有するように形成することが好ましい。このようにすると、第1のCMP時における研磨レートのウエハ面内のバラツキを低減することができる。なお、この場合、次工程で表面層63aを除去する前における初期段差は、前述したように、図5(a)に示す段差d1とd2との合計によって表されるが、幅広の第1の凹部62aに起因する段差d1の約200nmと、メッキ液に含まれる添加剤の種類にも依存するが、プロトルージョンに起因する段差d2の約150nm程度との合計となり、初期段差(d1+d2)は350nm程度である。
In the step shown in FIG. 5A, the
次に、図5(b)に示すように、第1のCMPにより、図5(a)に示した第1の銅膜63における表面層63aの全面を除去する。ここでは、例えばPVA(ポリビニルアセタール)などの材料によって形成されてなるブラシ64を用いて、物理的な力を第1の銅膜63の表面に加えて洗浄することにより、表面層63aを除去する。このブラシ洗浄は、例えば突起を有するロール状のブラシをウエハ両面の表面に押し当て、ブラシの回転数を50〜800rpm、ウエハの回転を1〜200rpmに設定し、さらに、押圧としてブラシ表面がウエハ表面に対して0.1mm以上の押し込み量を確保できる圧力とし、DIW(Distilled Ion Water:イオン化蒸留水)でリンスしながら行う。この場合、表面層63aには、第1の電解メッキ時に用いたメッキ液に含まれる添加剤が残留しているので、本工程において、プロトルージョンの発生の原因となる添加剤を除去することができる。
Next, as shown in FIG. 5B, the
また、第1のメッキ法によって形成される第1の銅膜63は、メッキ後の洗浄方法に依存するが、例えばDIWを用いたメッキ液の置換洗浄のみを行う場合、その表面がアイランド状に酸化されることがある。したがって、このような場合には、シュウ酸又はクエン酸などの有機酸を用いてブラシ洗浄を行うと、ブラシによる物理的な作用に加えて、有機酸による酸化領域に対するウェットエッチングが進行し、効果的である
次に、図5(c)に示すように、第2の電解メッキ法により、第1の銅膜63bの上に、第2の銅膜65を形成する。第2の電解メッキ法による第2の銅膜65の形成の際には、前述した第1の銅膜63の表面層63aの除去と共に、表面層63aに残留する添加剤も同時に除去されているので、第2の銅膜65はコンフォーマルに堆積され、プロトルージョンを新たに生じさせることはない。このため、第2の電解メッキ法によって、表面段差が増加することはない。このため、第2の銅膜65の膜厚としては、後述するCMPにおける平坦化性能にもよるが、例えば、初期段差を解消するために必要な量の研磨を行った場合に、第1の凹部62a及び第2の凹部62bが形成されていない領域における絶縁膜62の表面高さ以上に研磨できるように(すなわち、過研磨が行われないように)設定するとよい。
Further, the
また、通常、配線などが形成される第1の凹部62a及び第2の凹部62bの幅は一定の範囲で設計されているので、前述した図5(b)に示した工程におけるブラシ洗浄によって表面層63aが除去された後に、本実施形態であっても、第1の領域Raにおける第2の凹部62aの上部では、第1の銅膜63bに凹みが残存することになる。そこで、図5(c)に示す工程では、第1の凹部62aの上部における第1の銅膜63bの凹みを利用したボトムアップの膜成長特性が生じるように、第2の電解メッキに用いるメッキ液に加える添加剤を調整することにより、形成される第2の銅膜65の平坦性をさらに向上させることもできる。
In addition, since the width of the
次に、図5(d)に示すように、CMPにより、第1の凹部62a及び第2の凹部62bの外側に存在している第1の銅膜63b及び第2の銅膜65を除去する。これにより、配線幅が幅広の第1の配線63cと配線幅が微細な第2の配線63dとが形成される。
Next, as shown in FIG. 5D, the
以上のように、本発明に係る第5の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、第1の電解メッキ法によって第1の銅膜63を形成した後に、ブラシ洗浄を用いた物理的な作用を利用してその表面層63aを除去することにより、第1の銅膜63の表面平坦性を向上させると共に、表面層63aに残留する第1の銅膜63の形成時に用いた添加剤を除去することができる。このため、添加剤を含む表面層63aが除去されて残存する第1の銅膜63bの上に、第2の電解メッキ法によって第2の銅膜65を形成すると、第2の銅膜65はコンフォーマルに形成され、プロトルージョンの発生を抑制して初期段差が低減し、第2の銅膜65の表面平坦性が向上する。したがって、CMPにより、第1の凹部62a及び第2の凹部62bの外側に存在している第1の銅膜63b及び第2の銅膜65を除去すると、エロージョン又はディッシングの発生をより抑制することができる。その結果、配線抵抗のバラツキをより抑制することが可能となる。
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention, after forming the
(第6の実施形態)
以下、本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
(Sixth embodiment)
The method for manufacturing a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention will be described below.
図6(a)〜(d)は、本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す要部断面図であり、図6(a)においては、各図を代表して、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、幅広の開口径を有する第1の凹部72aが相対的に疎に形成される第1の領域Raと、例えばトレンチ又はスルーホール(図示せず)などの凹部であって、微細な開口径を有する第2の凹部72bが相対的に密に形成される第2の領域Rbとを示している。
FIGS. 6A to 6D are cross-sectional views showing the principal part of the method of manufacturing a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention in the order of steps, and FIG. A first region Ra which is a concave portion such as a trench or a through hole (not shown) and which has a wide opening diameter and is relatively sparsely formed; The second region Rb is a concave portion such as a hole (not shown), and the second
本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第1のメッキ法によって第1の銅膜を成膜した後であって、該第1の銅膜の表面層を除去する前に、熱処理を行う工程を有する点に特徴を有し、本工程は、前述した第1〜第5の実施形態に係る半導体装置の製造方法のすべてに適用できるものである。以下では、本実施形態の特徴である熱処理を行う工程を前述の第5の実施形態に係る半導体装置の製造方法に適用した場合を例にして説明する。なお、このため以下では、第5の実施形態における説明と共通する部分については繰り返さない。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention is after the first copper film is formed by the first plating method and before the surface layer of the first copper film is removed. The present invention is characterized in that it includes a step of performing a heat treatment, and this step can be applied to all the semiconductor device manufacturing methods according to the first to fifth embodiments described above. Hereinafter, a case where the heat treatment process, which is a feature of the present embodiment, is applied to the semiconductor device manufacturing method according to the above-described fifth embodiment will be described as an example. For this reason, in the following, the parts common to the description in the fifth embodiment will not be repeated.
まず、図6(a)に示すように、前述の図5(a)に示した工程と同様に、半導体基板71上に、第1の凹部72a及び第2の凹部72bを有する絶縁膜72を形成し、第1の凹部72a及び第2の凹部72bの内部を含む絶縁膜72の上に、拡散防止膜72c及び第1の銅膜73を順に形成する。
First, as shown in FIG. 6A, an insulating
次に、図6(b)に示すように、熱処理74を行う。これにより、第1の銅膜73を構成する銅原子がマイグレーションし、第1の銅膜73の表面の平滑化が進行する。つまり、熱処理を行わない場合と比較して、表面をより平坦化することができる。
Next, as shown in FIG. 6B, a heat treatment 74 is performed. Thereby, the copper atom which comprises the
また、本熱処理工程後における前述の第1の銅膜73の表面層には、前述した第1のメッキ法で用いた添加剤の他に、銅膜などの中に残留する不純物がグレインの成長過程で析出している。このため、次工程で行う第1の銅膜73の表面層を除去する工程においてこれらの添加剤及び不純物を除去することにより、残留する添加剤が起因となるプロトルージョンの発生を抑制することに加えて、第1の銅膜73に含まれる不純物を効果的に除去することができる。ここで、第1の銅膜73の表面層に析出する不純物としては、例えばSn、Al、Ag、Ti、Mn、S、C、Clなどが挙げられる。
In addition to the additive used in the first plating method, impurities remaining in the copper film and the like are grown on the surface layer of the
また、第1のメッキ法によって成膜される第1の銅膜は、セルフアニールと呼ばれる時間経過に伴うグレイン成長があるので、この過程において銅膜の特性が変化する。このため、次工程で行う第1の銅膜73の表面層を除去する工程で用いる例えばCMP又はウェットエッチングなどにおいて、第1の銅膜73の表面層を除去する速度を不安定にさせることがある。したがって、ここでの熱処理は、100℃〜500℃の範囲にて、抵抗過熱、ランプヒート又はファーネスなどを用いて、銅の酸化が銅膜の内部に及ばないように、不活性の窒素ガスに還元性を有する水素などを添加して実施することが好ましい。
In addition, since the first copper film formed by the first plating method has grain growth with the passage of time called self-annealing, the characteristics of the copper film change in this process. For this reason, in the step of removing the surface layer of the
また、本熱処理の最終段階において、低濃度の酸素を導入することにより、第1の銅膜73の表面に一定の膜厚を有する酸化層(図示せず)を形成することが可能である。この工程を用いれば、前述した第3の実施形態における有機酸を用いた第1の銅膜の表面層を除去する(図4(a)参照)前に行うオゾン水による酸化層の形成(図4(b)参照)に代替させることができる。
Further, in the final stage of the heat treatment, it is possible to form an oxide layer (not shown) having a certain thickness on the surface of the
以降の工程は、図6(c)〜(e)に示すように、前述した例えば図5(b)〜(d)と同様に、第1の銅膜73の表面層73a(酸化層としている場合であってもよい)を除去した後に、第2のメッキ法により第2の銅膜75を成膜し、その後、CMPによって第1の配線73c及び73dを形成する。
In the subsequent steps, as shown in FIGS. 6C to 6E, the
以上のように、本発明に係る第6の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、第1の電解メッキ法によって第1の銅膜73を形成した後に、熱処理を行うことにより、段差を低減して第1の銅膜73の表面を平坦化させる。その後に、第1の銅膜の表面層73aを除去することにより、第1の銅膜73の表面に残留する添加剤すると共に、熱処理によって析出された不純物を除去することができる。第1の銅膜73の表面に残留する添加剤を除去しているので、第2の電解メッキ法によって第2の銅膜75を形成すると、第2の銅膜75はコンフォーマルに形成され、プロトルージョンの発生を抑制して初期段差が低減し、第2の銅膜75の表面平坦性がさらに向上する。したがって、CMPにより、第1の凹部72a及び第2の凹部72bの外側に存在している第1の銅膜73b及び第2の銅膜75を除去すると、エロージョン又はディッシングの発生をより抑制することができる。その結果、配線抵抗のバラツキをより抑制することが可能となる。
As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention, the
なお、以上の各実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、工程数は増加するものの、ダメージが少ない低圧力での低研磨レート条件を利用することができるので、研磨量の低下による生産性の低下を補償することができる。また、従来例で挙げた半導体装置の製造方法では、電解エッチング装置が新たに必要となるが、各実施形態に係る半導体装置の製造方法では、例えばLSIにおける銅を用いたダマシン法で通常使用する製造装置を組み合わせることにより、電解メッキ法による銅膜の表面段差を低減することができる。 In addition, according to the manufacturing method of the semiconductor device according to each of the above embodiments, although the number of steps is increased, the low polishing rate condition at a low pressure with little damage can be used, so that the productivity due to the decrease in the polishing amount can be used. Can be compensated for. In addition, in the semiconductor device manufacturing method described in the conventional example, an electrolytic etching apparatus is newly required. However, in the semiconductor device manufacturing method according to each embodiment, for example, the damascene method using copper in LSI is usually used. By combining the manufacturing apparatus, the surface step of the copper film by the electrolytic plating method can be reduced.
なお、以上の各実施形態において、CMPを用いた工程の前に、研磨除去する対象となる銅膜の上に、銅に対して溶解性を有する溶解性の錯体を形成した後に、CMPを行うことも可能である。このようにすると、CMPにおける研磨レートを高めることができる。 In each of the above embodiments, CMP is performed after a soluble complex having solubility in copper is formed on a copper film to be polished and removed before the step using CMP. It is also possible. In this way, the polishing rate in CMP can be increased.
なお、以上の各実施形態では、電解メッキによって銅膜を形成した後に、その表面層を除去する工程を行い、さらに、電解メッキによって銅膜を形成した後に、凹部の外側に存在する絶縁膜を除去するCMPを行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、最終的に除去する絶縁膜の表面の平坦性がより高まるように、電解メッキを行った後に表面層を除去するという一連の工程を複数回行うようにしてもかまわない。 In each of the above embodiments, after forming the copper film by electrolytic plating, the step of removing the surface layer is performed. Further, after forming the copper film by electrolytic plating, the insulating film existing outside the recess is formed. Although the case of performing the removal CMP has been described, the present invention is not limited to this. That is, a series of steps of removing the surface layer after electrolytic plating may be performed a plurality of times so that the flatness of the surface of the insulating film to be finally removed is further enhanced.
以上説明したように、本発明は、銅を用いて配線を形成する半導体装置の製造方法にとって有用である。 As described above, the present invention is useful for a method for manufacturing a semiconductor device in which wiring is formed using copper.
11、21、41、51、61、71半導体基板
12、22、42、52、62、72 絶縁膜
12a、22a、42a、52a、62a、72a 第1の凹部
12b、22b、42b、52b、62b、72b 第2の凹部
12c、22c、42c、52c、62c、72c 拡散防止膜
13、13b、23、23b、43、43b、53、53b、63、63b、73、73b 第1の銅膜
13a、23a、43a、63a、73a 表面層
13c、23c、43c、53c、63c、73c 第1の配線
13d、23d、43d、53d、63d、73d 第2の配線
14、25、 第2の銅膜
24 不溶解性の錯体
53a 表面酸化層
64 洗浄ブラシ
11, 21, 41, 51, 61, 71
Claims (16)
前記第1の導電膜の表面層を除去する工程(b)と、
前記工程(b)よりも後に、前記第1の導電膜の上に第2の導電膜を形成する工程(c)と、
前記工程(c)よりも後に、前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜における前記複数の凹部の外部に存在する部分を除去する工程(d)とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step (a) of forming a first conductive film on an insulating film provided on the substrate and having a plurality of recesses as trenches or holes;
Removing the surface layer of the first conductive film (b);
(C) forming a second conductive film on the first conductive film after the step (b);
A step (d) of removing a portion of the first conductive film and the second conductive film existing outside the plurality of recesses after the step (c). Manufacturing method.
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JP2006031280A JP2007214275A (en) | 2006-02-08 | 2006-02-08 | Semiconductor device manufacturing method |
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JP2010003914A (en) * | 2008-06-20 | 2010-01-07 | Toshiba Corp | Method for manufacturing solder bump |
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- 2006-02-08 JP JP2006031280A patent/JP2007214275A/en active Pending
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