JP2008047719A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、さらに詳しくは、配線またはヴィアと層間絶縁膜との間に自己形成バリア膜が設けられたダマシン構造を有す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, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a damascene structure in which a self-formed barrier film is provided between a wiring or a via and an interlayer insulating film.
半導体装置の銅(Cu)配線形成プロセスにおいては、一般的に、層間絶縁膜に設けられた配線溝を埋め込むことで、配線パターンを形成するダマシン法が行われている。ダマシン法によるCu配線の形成の際には、層間絶縁膜へのCuの拡散を防止するため、通常Cuを埋め込む前に、配線溝の内壁を覆う状態で、タンタル(Ta)、もしくはタンタル窒化膜(TaN)等のバリア膜を10nm程度の膜厚で成膜する。その後、電解めっき法により、バリア膜が設けられた配線溝内にCu層を埋め込む。 In a copper (Cu) wiring formation process of a semiconductor device, a damascene method for forming a wiring pattern by embedding wiring grooves provided in an interlayer insulating film is generally performed. When forming a Cu wiring by the damascene method, in order to prevent Cu from diffusing into the interlayer insulating film, the tantalum (Ta) or tantalum nitride film is usually covered with the inner wall of the wiring trench before embedding Cu. A barrier film such as (TaN) is formed to a thickness of about 10 nm. Thereafter, a Cu layer is embedded in the wiring trench provided with the barrier film by electrolytic plating.
しかし、配線ピッチの微細化に伴い、Cuの埋め込み難易度が上がっていること、配線の総体積に占めるバリア膜の割合が増加し、配線抵抗が上昇していること等の理由により、バリア膜を成膜せずに、Mnを含有したCu層からなるシード層を形成し、その後の熱処理によりMnを拡散させて、層間絶縁膜とCu配線との界面にMn化合物からなる自己形成バリア膜を2〜3nm程度の膜厚で形成する技術が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。 However, with the miniaturization of the wiring pitch, the difficulty of embedding Cu has increased, the ratio of the barrier film to the total wiring volume has increased, and the wiring resistance has increased. A seed layer made of a Cu layer containing Mn is formed without forming a film, and Mn is diffused by a subsequent heat treatment to form a self-formed barrier film made of a Mn compound at the interface between the interlayer insulating film and the Cu wiring. A technique for forming a film with a thickness of about 2 to 3 nm has been proposed (see Non-Patent Document 1, for example).
上記自己形成バリアプロセスについて、図7を用いて説明する。まず、図7(a)に示すように、シリコンウェハからなる基板11上に、酸化シリコン(SiO2)からなる層間絶縁膜12を形成した後、この層間絶縁膜12に基板11に達する状態の接続孔13を形成し、接続孔13内に例えばタングステン(W)からなるヴィア14を埋め込み形成する。
The self-forming barrier process will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 7A, an
次に、ヴィア14上を含む層間絶縁膜12上に、SiO2からなる層間絶縁膜15を形成する。次いで、層間絶縁膜15に、層間絶縁膜12およびヴィア14に達する状態の配線溝16を形成した後、配線溝16の内壁を覆う状態で、層間絶縁膜15上に、CuMn層からなるめっきシード層17’を形成する。
Next, an
次いで、図7(b)に示すように、電解めっき法により、配線溝16を埋め込む状態で、めっきシード層17’上に、純Cuからなる導電層18を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, a
次に、図7(c)に示すように、熱処理を行い、めっきシード層17’中に含まれるMnを層間絶縁膜12、15の構成成分と反応させて、めっきシード層17’と層間絶縁膜12、15との界面に、Mn化合物からなる自己形成バリア膜19を形成する。この自己形成バリア膜19は、2nm〜3nmの膜厚で形成される。この際、導電層18の表面側にもMnが偏析し、酸化マンガン(MnO)層Mが形成される。
Next, as shown in FIG. 7C, heat treatment is performed to cause Mn contained in the
その後、ここでの図示は省略したが、化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing(CMP))法により、配線パターンとして不要な部分の導電層18および自己形成バリア膜19を除去し、露出された層間絶縁膜15の表面側を削り込むことで、上記配線溝16に配線を形成する。
Thereafter, although not shown in the figure, the
上述したような製造方法により形成された配線構造においては、通常のTa、TaNからなるバリア膜を用いた埋め込みプロセスに比べて、めっきシード層17’中のMnと層間絶縁膜12、15の構成成分とを反応させて、薄膜化された自己形成バリア膜19を形成するため、導電層18の埋め込み特性に優れている。また、Ta、TaNからなるバリア膜と比較して自己形成バリア膜19は膜厚が薄いため、配線の低抵抗化が図れる、という利点もある。
In the wiring structure formed by the manufacturing method as described above, the structure of Mn in the
しかし、上述したような製造方法では、図7(c)を用いて説明した工程において、めっきシード層17’中のMn濃度が十分でないと、図8に示すように、連続的な自己形成バリア膜19が形成されず、熱処理の初期の段階における急激な応力変化により、導電層18と層間絶縁膜12、15との密着性が低下することで、導電層18の膜剥がれが生じてしまう。そして、これを防ぐためには、自己形成バリア膜19の形成を促進させるために、めっきシード層17’(前記図7(c)参照)中のMnを高濃度化することが有効であるが、Mnの抵抗値はCuよりも高いため、Mnを高濃度化すると、めっきシード層17’のシート抵抗が増大し、高電流をかける必要がある等、めっき工程への負荷が増大してしまう。このため、基板11面内における導電層18のメッキ成長が不均一となり、導電層18の埋め込み均一性が低下する。また、めっきシード層17’の表面側のMnはめっき液中に溶出し易く、めっき液中に溶出されたMnが導電層18とともに配線溝16内に埋め込まれることで、配線抵抗が増大する、という問題がある。
However, in the manufacturing method as described above, if the Mn concentration in the
以上のことから、本発明は、めっき工程への負荷を抑制した状態で、導電層の膜剥がれを防止するとともに、基板面内における導電層の埋め込み均一性を向上し、配線抵抗の増大を抑制する半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。 As described above, the present invention prevents the peeling of the conductive layer while suppressing the load on the plating process, improves the uniformity of the conductive layer in the substrate surface, and suppresses the increase in wiring resistance. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device.
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、基板上に設けられた絶縁膜に凹部を形成する工程を行う。次に、凹部の内壁を覆う状態で、銅(Cu)とCu以外の金属とからなる合金層と、Cuを主成分とする導電層とを順次積層してなるめっきシード層を形成する工程を行う。次いで、めっき法により、めっきシード層が設けられた凹部に、Cuを主成分とする導電層を埋め込む工程を行う。続いて、熱処理を行い、合金層中の金属を絶縁膜の構成成分と反応させて、合金層と絶縁膜との界面に、Cuの拡散バリア性を有する金属化合物からなるバリア膜を形成する工程を行うことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized by sequentially performing the following steps. First, a step of forming a recess in an insulating film provided on the substrate is performed. Next, a step of forming a plating seed layer formed by sequentially laminating an alloy layer made of copper (Cu) and a metal other than Cu and a conductive layer containing Cu as a main component in a state of covering the inner wall of the recess. Do. Next, a step of embedding a conductive layer containing Cu as a main component in the recess provided with the plating seed layer is performed by plating. Subsequently, a heat treatment is performed to react a metal in the alloy layer with a component of the insulating film to form a barrier film made of a metal compound having a Cu diffusion barrier property at the interface between the alloy layer and the insulating film. It is characterized by performing.
このような半導体装置の製造方法によれば、合金層を構成するCu以外の金属の抵抗値が高くても、合金層とCuを主成分とする導電層とを順次積層してなるめっきシード層を形成することから、合金層のみでめっきシード層を形成する場合と比較して、めっきシード層のシート抵抗が低くなる。このため、連続的なバリア膜が形成される程度に、合金層中の上記金属を高濃度化したとしても、めっきシード層のシート抵抗が抑制されるため、めっき工程の際に高電流をかけなくてもよく、めっき工程への負荷が抑制される。これにより、めっき工程への負荷を抑制した状態で、合金層中の上記金属を高濃度化して合金層と絶縁膜との界面に連続的なバリア膜を形成することができるため、導電層と絶縁膜との密着性が向上し、導電層の膜剥がれを防止することができる。また、めっきシード層のシート抵抗が低くなることで、基板面内における導電層のめっき成長が不均一になることが抑制され、導電層の埋め込み均一性が向上する。また、さらに、めっき工程を行う際に、めっきシード層の合金層がCuを主成分とする導電層で覆われていることから、めっき液中に合金層の表面側の上記金属が溶出することが防止される。これにより、めっき法により、凹部に導電層を埋め込む際に、めっき液中に溶出された金属が導電層とともに埋め込まれることによる、導電層の抵抗の増大が防止される。 According to such a method of manufacturing a semiconductor device, even if the resistance value of a metal other than Cu constituting the alloy layer is high, the plating seed layer is formed by sequentially laminating the alloy layer and a conductive layer mainly composed of Cu. Therefore, the sheet resistance of the plating seed layer is lower than that in the case where the plating seed layer is formed only by the alloy layer. For this reason, even if the concentration of the metal in the alloy layer is increased to such an extent that a continuous barrier film is formed, the sheet resistance of the plating seed layer is suppressed, so that a high current is applied during the plating process. There is no need, and the load on the plating process is suppressed. As a result, it is possible to form a continuous barrier film at the interface between the alloy layer and the insulating film by increasing the concentration of the metal in the alloy layer while suppressing the load on the plating process. Adhesiveness with the insulating film is improved and peeling of the conductive layer can be prevented. In addition, since the sheet resistance of the plating seed layer is reduced, the plating growth of the conductive layer in the substrate surface is suppressed from being uneven, and the filling uniformity of the conductive layer is improved. Further, when the plating process is performed, the alloy layer of the plating seed layer is covered with a conductive layer mainly composed of Cu, so that the metal on the surface side of the alloy layer is eluted in the plating solution. Is prevented. Thereby, when the conductive layer is embedded in the recess by plating, an increase in resistance of the conductive layer due to the metal eluted in the plating solution being embedded together with the conductive layer is prevented.
以上説明したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、導電層の膜剥がれを防止することができるため、半導体装置の歩留まりを向上させることができる。また、基板面内における導電層の埋め込み均一性が向上するため、例えばCMP法により導電層を研磨する際のディッシングやエロージョンを抑制することができる。さらには、導電層の抵抗の増大を防止することができる。したがって、凹部が配線溝、導電層が配線である場合には、配線抵抗の増大を防止し、配線信頼性を向上させることができる。 As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the peeling of the conductive layer can be prevented, so that the yield of the semiconductor device can be improved. In addition, since the filling uniformity of the conductive layer in the substrate surface is improved, dishing and erosion when the conductive layer is polished by, for example, CMP can be suppressed. Furthermore, an increase in resistance of the conductive layer can be prevented. Therefore, when the recess is a wiring groove and the conductive layer is a wiring, an increase in wiring resistance can be prevented and wiring reliability can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
本実施形態例は、本発明にかかる半導体装置の製造方法の実施形態の一例であり、シングルダマシン配線構造の形成に係わる。以下、図1〜図2の製造工程断面図を用いて本発明の第1実施形態を説明する。なお、背景技術と同様の構成には、同一の番号を付して説明することとする。
(First embodiment)
The present embodiment is an example of an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, and relates to the formation of a single damascene wiring structure. The first embodiment of the present invention will be described below with reference to the cross-sectional views of the manufacturing steps shown in FIGS. In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to a background art.
まず、図1(a)に示すように、トランジスタ等の素子が形成されたシリコンウェハからなる基板11上に、例えばSiO2からなる層間絶縁膜12を形成した後、基板11に達する状態の接続孔13を形成し、接続孔13内に例えばWからなるヴィア14を埋め込み形成する。
First, as shown in FIG. 1A, after an
次に、例えばプラズマ励起化学的気相成長(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD))法により、成膜ガスにシラン(SiH4)を用いて、ヴィア14上を含む層間絶縁膜12上に、例えばSiO2からなる層間絶縁膜15を形成する。
Next, by using, for example, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), silane (SiH 4 ) is used as a film forming gas, on the
次いで、層間絶縁膜15上に、配線溝パターンを有するレジストパターン(図示省略)を形成し、このレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより層間絶縁膜15に、配線溝16(凹部)を形成する。この配線溝16の開口幅は、75nmであることとする。
Next, a resist pattern (not shown) having a wiring groove pattern is formed on the
続いて、図1(b)に示すように、例えばCuMnからなる合金ターゲットを用いて、スパッタリング法等の物理的気相成長(Physical Vapor Deposition(PVD))法により、配線溝16の内壁を覆う状態で、層間絶縁膜15上に、CuMnからなる合金層17aを形成する。ここで、MnはCuよりも抵抗値が高く、また、合金層17a中のMnは、後工程で熱処理を行うことにより、層間絶縁膜12、15の構成成分と反応して自己形成バリア膜を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 1B, the inner wall of the
このため、合金層17a中のMn濃度および合金層17aの膜厚は、後工程で行う熱処理により、合金層17aと層間絶縁膜12、15の界面に連続的な自己形成バリア膜を形成可能なMn濃度および膜厚以上で、かつ配線溝16内に形成する配線中にMnが残存した場合の配線抵抗と、この合金層17a上に後述するCuを主成分とする導電層を積層してなるめっきシード層のシート抵抗とが、許容範囲内となるMn濃度および膜厚以下の範囲で規定される。
Therefore, the Mn concentration in the
具体的には、合金層17a中のMn濃度は1atomic%以上10atomic%以下であり、好ましくは2atomic%以上6atomic%以下であることとする。また、合金層17aの膜厚は、上記範囲の上限に加えて、その後のめっき法による導電層の埋め込み特性が悪化しない程度の膜厚以下となるように規定する。具体的には、合金層17aの膜厚は、配線溝パターンのない平滑部で10nm以上50nm以下であり、ここでは、例えば30nmの膜厚で形成することとする。
Specifically, the Mn concentration in the
次に、図1(c)に示すように、合金層17a上に、例えば純Cuからなる導電層17bを例えば30nmの膜厚で形成することで、合金層17aと導電層17bとがこの順に積層されためっきシード層17が形成される。これにより、合金層17aの表面側が純Cuからなる導電層17bで覆われるため、めっきシード層17がCuMnからなる合金層17aのみで形成される場合と比較して、めっきシード層17のシート抵抗が低くなる。これにより、後述する配線溝16内に導電層を埋め込むめっき工程への負荷が抑制される。
Next, as shown in FIG. 1C, by forming a conductive layer 17b made of, for example, pure Cu with a film thickness of, for example, 30 nm on the
なお、ここでは、導電層17bが純Cuで構成される例について説明するが、上記導電層17bとしては、Cuを主成分として含んでいればよく、例えば比抵抗の上昇が少ないCuAg合金を用いてもよい。 Here, an example in which the conductive layer 17b is made of pure Cu will be described. However, as the conductive layer 17b, it is only necessary to contain Cu as a main component, and for example, a CuAg alloy with a small increase in specific resistance is used. May be.
ここで、上記導電層17bの膜厚は、上述したように、めっきシード層17のシート抵抗を許容範囲内に抑制するとともに、めっき法による導電層18の埋め込み特性を悪化させない程度の膜厚とする。具体的には、導電層17bの膜厚は、配線溝パターンのない平滑部で10nm以上50nm以下であり、ここでは、例えば30nmの膜厚で形成することとする。
Here, as described above, the film thickness of the conductive layer 17b is such that the sheet resistance of the
次いで、図2(d)に示すように、例えば電解めっき法により、配線溝16を埋め込む状態で、上記導電層17b上に、例えば純Cuからなる導電層18を800nm以上の膜厚で形成する。この際、上述したように、めっきシード層17のシート抵抗が低くなることで、基板11面内における導電層18の埋め込み均一性が向上する。また、合金層17aの表面側が純Cuからなる導電層17bで覆われていることで、合金層17aの表面側のMnがめっき液中に溶出することが防止され、めっき液中に溶出されたMnが配線溝16内に導電層18とともに埋め込まれることが防止される。これにより、配線抵抗の増大が防止される。また、めっき液中に溶出されたMnがめっき工程に及ぼす悪影響が回避される。
Next, as shown in FIG. 2D, a
なお、ここでは、導電層18が純Cuで構成される例について説明するが、上記導電層18としては、Cuを主成分として含んでいればよく、例えば比抵抗の上昇が少ないCuAg合金を用いてもよい。
Here, an example in which the
その後、図2(e)に示すように、例えば300℃で30分間の熱処理を行うことで、合金層17a(前記図2(d)参照)中のMnを層間絶縁膜12、15の構成成分と反応させて、合金層17aと層間絶縁膜12、15との界面に、Cuの拡散防止性を有する自己形成バリア膜19を形成する。ここで、自己形成バリア膜19が形成される熱処理の温度範囲および処理時間は、自己形成バリア膜19の確実な形成を促進し、熱処理によるデバイスへの悪影響を防ぐため、200℃〜400℃、60秒〜2時間であることが好ましく、より好ましくは60秒〜30分間である。また、層間絶縁膜12、15の構成成分には、層間絶縁膜12、15の表面に吸着する大気中からの酸素または水分等も含まれることとする。
Thereafter, as shown in FIG. 2 (e), for example, heat treatment is performed at 300 ° C. for 30 minutes, so that Mn in the
ここでは、層間絶縁膜12、15がSiO2で構成されているため、自己形成バリア膜19は、シリコン含有Mn酸化物(MnSixOy)またはMn酸化物(MnxOy)等のMn化合物で構成され、2nm〜3nmの膜厚で形成される。ここで、合金層17a中には、連続的な自己形成バリア膜19が形成される程度に高濃度化されたMnが含有されているため、従来方法よりも多量のMnを合金層17aと層間絶縁膜12、15の界面に供給することができ、強固で密着性の高い連続的な自己形成バリア膜19が形成される。これにより、熱処理の初期の段階における急激な応力変化により、導電層18の膜剥がれが生じることが防止される。また、熱処理条件のマージンを広く確保することが可能となる。さらに、この熱処理により、導電層18の表面側にもMnが偏析することで、MnO層Mが形成される。
Here, since the
続いて、図2(f)に示すように、例えばCMP法により、2段階の研磨を行い、1段階目では、MnO層M(前記図2(e)参照)とともに配線パターンとして不要な部分の導電層18(前記図2(e)参照)を除去する。続いて、2段階目の研磨では、自己形成バリア膜19を除去し、露出された層間絶縁膜15を100nm削り込む。これにより、配線溝16にCuからなる配線18’が形成される。この際、導電層18と層間絶縁膜12、15との界面には、上述した自己形成バリア膜19が設けられていることで、CMP工程による導電層18の膜剥がれが防止されるため、CMP条件のマージンを広く確保することが可能である。
Subsequently, as shown in FIG. 2 (f), two-stage polishing is performed by, for example, CMP, and in the first stage, an unnecessary portion as a wiring pattern is formed together with the MnO layer M (see FIG. 2 (e)). The conductive layer 18 (see FIG. 2E) is removed. Subsequently, in the second stage polishing, the self-formed
次いで、クエン酸水溶液やシュウ酸水溶液等を用いた有機酸洗浄を行うことで、配線18’上の酸化膜と上記CMP工程でCu表面に残存するベンゾトリアゾール誘導体等のCuの防食剤を除去する。その後、トリメチルシラン(3MS)等のシリコン含有材料とアンモニア(NH3)等を成膜ガスとして用いたCVD法により、配線18’上および層間絶縁膜15上に、例えば炭窒化シリコン(SiCN)からなるキャップ膜20を50nmの膜厚で成膜する。
Next, organic acid cleaning using an aqueous citric acid solution, an aqueous oxalic acid solution, or the like is performed to remove the oxide film on the
このような半導体装置の製造方法によれば、図1(c)を用いて説明したように合金層17aと純Cuからなる導電層17bとを順次積層してなるめっきシード層17を形成することから、めっき工程への負荷を抑制した状態で、合金層17a中のMnを高濃度化することができるため、合金層17aと層間絶縁膜12、15との界面に連続的な自己形成バリア膜19を形成することができる。これにより、導電層18と層間絶縁膜12、15との密着性が向上し、導電層18の膜剥がれを防止することができる。したがって、半導体装置の歩留まりを向上させることができるとともに、自己形成バリア膜19を形成する際の熱処理条件や導電層18を研磨する際のCMP条件のマージンをより広く確保することができる。
According to such a method of manufacturing a semiconductor device, as described with reference to FIG. 1C, the
また、めっきシード層17のシート抵抗を低くすることができるため、基板11の面内における導電層18の埋め込み均一性を向上させることができる。したがって、CMP法により導電層18を研磨する際のディッシングやエロージョンを抑制することができ、配線信頼性を向上させることができる。
In addition, since the sheet resistance of the
さらに、めっき工程を行う際に、合金層17aが純Cuからなる導電層17bで覆われていることから、めっき液中へのMnの溶出が防止され、配線溝16にMnが導電層18とともに埋め込まれることによる配線18’の抵抗の増大を防止することができる。
Furthermore, when the plating process is performed, the
ここで、本発明の半導体装置の製造方法が適用されためっきシード層(1)と本発明が適用されていないめっきシード層(2)、(3)のシート抵抗値を比較した結果を表1に示す。
この表に示すように、膜厚30nmの2A%Mn含有CuMn層(合金層17a)上に膜厚30nmの純Cu層(導電層17b)を積層してなるめっきシード層(1)のシート抵抗値は、60nmの膜厚の2A%Mn含有CuMn層からなるめっきシード層(2)のシート抵抗値と比較して顕著に低い値を示すことが確認された。また、その1/2のMn濃度である60nmの膜厚のA%Mn含有CuMn層からなるめっきシード層(3)は、めっきシード層(1)とトータルのMn濃度は同等であるが、シート抵抗値を比較すると、めっきシード層(1)の方が低い値を示すことが確認された。したがって、CuMnからなる合金層17a上に純Cuからなる導電層17bを積層させることで、合金層17aのみでめっきシード層17を構成する場合と比較して、めっきシード層17のシート抵抗値が顕著に抑制されることが確認された。
As shown in this table, the sheet resistance of the plating seed layer (1) formed by laminating a pure Cu layer (conductive layer 17b) with a thickness of 30 nm on a 2A% Mn-containing CuMn layer (
(第2実施形態)
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第2の実施の形態を、図3〜図6の製造工程断面図を用いて説明する。ここでは、第1実施形態で説明したキャップ膜の上層に、デュアルダマシン配線構造を形成する例について、説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described using the manufacturing process sectional views of FIGS. Here, an example in which a dual damascene wiring structure is formed on the cap film described in the first embodiment will be described.
まず、図3(a)に示すように、キャップ膜20上に、例えばPE−CVD法により、例えばSiO2からなる層間絶縁膜21を350nmの膜厚で形成する。続いて、層間絶縁膜21上に、接続孔パターンを有するレジストパターン(図示省略)を形成し、このレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、キャップ膜20に達する状態の接続孔22aを形成する。
First, as shown in FIG. 3A, an
次に、図3(b)に示すように、接続孔22aを埋め込む状態で、層間絶縁膜21上にレジストRを塗布する。続いて、レジストR上にSOG(Spin On Glass)膜を形成し、SOG膜上に配線溝パターンを有するレジストパターン(図示省略)を形成した後、このレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、SOG膜を加工して、ハードマスク23を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 3B, a resist R is applied on the
次いで、図3(c)に示すように、ハードマスク23をマスクに用いたエッチングにより、上記レジストR(前記図3(b)参照)を加工し、配線溝パターンを有するレジストパターンR’を形成する。また、接続孔22aの底部側を覆うレジストRは残存させる。
Next, as shown in FIG. 3C, the resist R (see FIG. 3B) is processed by etching using the
続いて、図4(d)に示すように、上記ハードマスク23(前記図3(c)参照)とレジストパターンR’とをマスクに用いたエッチングにより、層間絶縁膜21の上層側に接続孔22aと連通する状態の配線溝22bを形成する。これにより、配線溝22bとその底部に連通する接続孔22aとからなるデュアルダマシン開口部22(凹部)が形成される。この際、エッチング時間を制御することで、上記配線溝22bの深さを制御する。ここで、接続孔22aの開口幅は75nm、深さは110nm、配線溝22bの開口幅は75〜100nm、深さは150nmであることとする。また、接続孔22aの内部にレジストRを残存させることで、接続孔22aの側壁がエッチングされることを防止し、側壁が垂直に維持される。
Subsequently, as shown in FIG. 4D, a connection hole is formed on the upper side of the
その後、図4(e)に示すように、アッシングおよび薬液洗浄により、上記レジストパターンR’(前記図4(d)参照)およびレジストR(前記図4(d)参照)を除去した後、接続孔22aの底部のキャップ膜20を露出する。
Thereafter, as shown in FIG. 4E, the resist pattern R ′ (see FIG. 4D) and the resist R (see FIG. 4D) are removed by ashing and chemical cleaning, and then connected. The
次に、図4(f)に示すように、接続孔22a底部のキャップ膜20を除去し、配線18’の表面を露出する。
Next, as shown in FIG. 4F, the
次いで、図5(g)に示すように、例えばスパッタリング法により、デュアルダマシン開口部22の内壁を覆う状態で、層間絶縁膜21上に、CuMn合金からなる合金層24aを形成する。ここで、第1実施形態と同様に、この合金層24aのMn濃度は、1atomic%以上10atomic%以下であり、好ましくは2atomic%以上6atomic%以下である。また、合金層24aの膜厚は、配線溝パターンのない平滑部で10nm以上50nmである
Next, as shown in FIG. 5G, an
続いて、図5(h)に示すように、合金層24a上に、例えば純Cuからなる導電層24bを形成する。これにより、合金層24aと導電層24bとを順次積層してなるめっきシード層24が形成される。ここで、第1実施形態と同様に、この導電層24bの膜厚は配線溝パターンのない平滑部で10nm以上50nmである。
Subsequently, as shown in FIG. 5H, a
その後、図5(i)に示すように、デュアルダマシン開口部22を埋め込む状態で、Cu層24b上に、例えば純Cuからなる導電層25を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 5I, a conductive layer 25 made of pure Cu, for example, is formed on the
次に、図6(j)に示すように、例えば300℃で30分間の熱処理を行うことで、合金層24a(前記図5(i)参照)中のMnを層間絶縁膜21の構成成分と反応させて、合金層24aと層間絶縁膜21の間にCuの拡散防止性を有するMn化合物からなる自己形成バリア膜26を形成する。ここで、第1実施形態と同様に、層間絶縁膜21はSiO2で構成されているため、自己形成バリア膜26は、シリコン含有Mn酸化物(MnSixOy)またはMn酸化物(MnxOy)で構成され、2nm〜3nmの膜厚で形成される。
Next, as shown in FIG. 6 (j), for example, by performing a heat treatment at 300 ° C. for 30 minutes, Mn in the
その後、図6(k)に示すように、例えばCMP法により、2段階の研磨を行い、1段階目では、MnO層M(前記図6(j)参照)とともに配線パターンとして不要な部分の導電層25(前記図6(j)参照)を除去する。続いて、2段階目の研磨では、自己形成バリア膜26を除去し、露出された層間絶縁膜21を100nm削り込む。これにより、接続孔22aに配線18’と連通する状態のヴィア25a’が形成されるとともに、配線溝22bに配線25b’が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 6 (k), two-step polishing is performed by, for example, a CMP method. In the first step, unnecessary portions of the conductive pattern as a wiring pattern are formed together with the MnO layer M (see FIG. 6 (j)). The layer 25 (see FIG. 6 (j)) is removed. Subsequently, in the second stage polishing, the self-formed
次いで、クエン酸水溶液やシュウ酸水溶液等を用いた有機酸洗浄を行うことで、配線25b’上の酸化膜と上記CMP工程でCu表面に残存するCuの防食剤を除去する。その後、配線25b’上および層間絶縁膜21上に、例えばSiCNからなるキャップ膜27を50nmの膜厚で成膜する。
Next, organic acid cleaning using an aqueous citric acid solution, an oxalic acid aqueous solution, or the like is performed to remove the oxide film on the wiring 25b 'and the Cu anticorrosive remaining on the Cu surface in the CMP step. Thereafter, a
このような半導体装置の製造方法であっても、図5(g)〜(h)を用いて説明したように、CuMnからなる合金層24aと純Cuからなる導電層24bとを順次積層してなるめっきシード層24を形成することで、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
Even in such a method for manufacturing a semiconductor device, as described with reference to FIGS. 5G to 5H, the
なお、上述した第1実施形態および第2実施形態においては、CuMnで合金層17a、24aを構成する例について説明したが、合金層17a、24aを構成するCu以外の金属としては、上述したMnの他に、例えばアルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)を例示することができる。例えば、合金層17a、24aをCuAlとする場合には、自己形成バリア膜19として、例えばシリコン含有Al酸化物(AlSixOy)またはAl酸化物(AlxOy)が形成され、合金層17a、24aをCuZnとする場合には、自己形成バリア膜19として、例えばシリコン含有Zn酸化物(ZnSixOy)またはZn酸化物(ZnxOy)が形成される。上記に例示したほかの金属に関しても同様のシリコン化合物または酸化物が形成される。
In the first embodiment and the second embodiment described above, the example in which the alloy layers 17a and 24a are made of CuMn has been described. However, as the metal other than Cu constituting the alloy layers 17a and 24a, the above-described Mn In addition, for example, aluminum (Al), zinc (Zn), chromium (Cr), vanadium (V), titanium (Ti), and tantalum (Ta) can be exemplified. For example, when the alloy layers 17a and 24a are made of CuAl, for example, silicon-containing Al oxide (AlSi x O y ) or Al oxide (Al x O y ) is formed as the self-forming
さらに、本実施形態では、自己形成バリア膜19、26を構成するMn化合物として、シリコン含有Mn酸化物(MnSixOy)またはMn酸化物(MnxOy)を例示したが、層間絶縁膜12、15、21が、例えば有機系絶縁膜等の炭素を含む絶縁膜である場合には、自己形成バリア膜19、26を構成するMn化合物としてMn炭化物(MnxCy)が形成される場合もある。なお、合金層17aとして、上述したCuAlまたはCuTiを用いた場合には、Al炭化物(AlxCy)またはチタン炭化物(TixCy)が形成される場合もある。さらに、上記に例示したほかの金属に関しても同様の金属炭化物が形成される。
Further, in the present embodiment, as the Mn compound constituting the self-forming
11…基板、12,15,21…層間絶縁膜、16…配線溝、17,24…めっきシード層17a,24a…合金層、17b,24b…導電層、18,25…導電層、18’,25b’…配線、25a’…ヴィア
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記凹部の内壁を覆う状態で、銅と銅以外の金属とからなる合金層と、銅を主成分とする導電層とを順次積層してなるめっきシード層を形成する工程と、
めっき法により、前記めっきシード層が設けられた前記凹部に、銅を主成分とする導電層を埋め込む工程と、
熱処理を行い、前記合金層中の前記金属を前記絶縁膜の構成成分と反応させて、当該合金層と前記絶縁膜との界面に、銅の拡散バリア性を有する金属化合物からなるバリア膜を形成する工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a recess in an insulating film provided on the substrate;
Forming a plating seed layer formed by sequentially laminating an alloy layer made of copper and a metal other than copper and a conductive layer mainly composed of copper in a state of covering the inner wall of the recess;
A step of embedding a conductive layer mainly composed of copper in the concave portion provided with the plating seed layer by a plating method;
Heat treatment is performed to cause the metal in the alloy layer to react with the components of the insulating film, thereby forming a barrier film made of a metal compound having a copper diffusion barrier property at the interface between the alloy layer and the insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device.
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