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JP2012039019A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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JP2012039019A
JP2012039019A JP2010179956A JP2010179956A JP2012039019A JP 2012039019 A JP2012039019 A JP 2012039019A JP 2010179956 A JP2010179956 A JP 2010179956A JP 2010179956 A JP2010179956 A JP 2010179956A JP 2012039019 A JP2012039019 A JP 2012039019A
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film
wiring
barrier film
interlayer insulating
barrier
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Application number
JP2010179956A
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Kenichi Mori
健壹 森
Kazuyoshi Maekawa
和義 前川
Kazuyuki Omori
和幸 大森
Masaichi Hamada
政一 浜田
Etsuyoshi Kobori
悦理 小堀
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Renesas Electronics Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Renesas Electronics Corp
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  • Physical Vapour Deposition (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance yield and reliability of a semiconductor device by improving embedment of Cu in a Cu interconnection without sacrifice of the diffusion prevention function of a barrier film in a Cu interconnection having a damascene structure.SOLUTION: In a semiconductor device having a damascene structure, a TaN film 7 and a Ti film 8 composed of Ti exhibiting good wettability to Cu are formed respectively, as a barrier layer, on the inside walls of a wiring groove G2 and a via hole V2 formed in a second interlayer insulating film 6, so that a Cu seed film 9a can be formed uniformly on the Ti film 8. Consequently, an air gap can be prevented from being formed in the wiring groove G2 and via hole V2 when a Cu film 9 is formed by electric field plating using the Cu seed film 9a as an electrode.

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、銅配線を有する半導体装置およびその製造方法に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a technique effective when applied to a semiconductor device having a copper wiring and a manufacturing method thereof.

先端のLSI(Large Scale Integration)において、半導体素子に所定の電位を供給する用途、または電気信号を伝達する用途などに用いられる配線の材料には、配線の低抵抗化を目的として、Al(アルミ)を主体とした合金材料(Al−Cu合金など)に代わり、Cu(銅)が広く用いられるようになってきている。銅の導入により、配線の形成工程においては、ドライエッチングを用いて直接配線材料を加工するのではなく、予め層間絶縁膜中に配線・ビアとなる溝やホールを形成し、その後配線材料(例えばCu(銅))を埋め込み、余分な部分の配線材料をCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法により取り除く、所謂ダマシン法が用いられる様になってきている。   In the advanced LSI (Large Scale Integration), the wiring material used for the purpose of supplying a predetermined potential to a semiconductor element or transmitting an electric signal is made of Al (aluminum) for the purpose of reducing the resistance of the wiring. Cu (copper) has come to be widely used instead of alloy materials (such as Al—Cu alloys) mainly composed of a). By introducing copper, in the wiring formation process, instead of directly processing the wiring material using dry etching, grooves and holes to be wiring and vias are formed in the interlayer insulating film in advance, and then the wiring material (for example, A so-called damascene method has been used in which Cu (copper)) is buried and an excess wiring material is removed by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.

Cu配線構造では、Cu(銅)が層間絶縁膜に拡散することを防止するため、Cu配線の表面部分を全て拡散防止膜(バリア膜、シード膜)で覆う必要がある。通常、このバリア膜は、Cu配線の上面に対しては絶縁膜系のバリア材として、銅の拡散防止機能を有する絶縁膜であるライナー膜を用いる。このライナー膜はCu配線上部の層間絶縁膜の一部としても用いる。一方、Cu配線の側壁・底部に対しては金属系のバリア材(バリアメタル)からなるバリア膜を用いる。バリアメタルは配線用の溝またはビアホール内壁に成膜されるため、配線材料の一部として用いられることとなる。   In the Cu wiring structure, in order to prevent Cu (copper) from diffusing into the interlayer insulating film, it is necessary to cover the entire surface of the Cu wiring with a diffusion preventing film (barrier film, seed film). Normally, this barrier film uses a liner film which is an insulating film having a copper diffusion preventing function as an insulating film-based barrier material for the upper surface of the Cu wiring. This liner film is also used as a part of the interlayer insulating film above the Cu wiring. On the other hand, a barrier film made of a metal-based barrier material (barrier metal) is used for the side walls and bottom of the Cu wiring. Since the barrier metal is formed on the inner wall of the groove or via hole for wiring, it is used as a part of the wiring material.

現在、バリアメタルとして広く用いられている材料は、Ta(タンタル)およびその化合物(例えばTaN)である。これは、一般的に、Ta(タンタル)を主とするバリア材料は銅の拡散に対して優れた防止性能を示すためである。   Currently, Ta (tantalum) and its compounds (for example, TaN) are widely used as barrier metals. This is because, generally, a barrier material mainly composed of Ta (tantalum) exhibits excellent prevention performance against copper diffusion.

特許文献1(特開2004−79802号公報)には、デュアルダマシン法により金属配線層を形成する場合に、バリア膜による金属配線層の抵抗上昇を抑える技術が開示されている。具体的には、有機SOG(Spin On Glass)膜からなる有機層間絶縁膜上に、配線となる金属膜を形成する際、有機層間絶縁膜と金属膜との界面に金属拡散防止用の炭化金属膜をバリア膜として形成する。これにより、抵抗が高いバリア膜の占める割合を少なくし、バリア膜に十分な金属拡散防止機能を持たせた状態で配線層の抵抗を低くすることができるとしている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2004-79802 discloses a technique for suppressing an increase in resistance of a metal wiring layer due to a barrier film when the metal wiring layer is formed by a dual damascene method. Specifically, when forming a metal film to be a wiring on an organic interlayer insulating film made of an organic SOG (Spin On Glass) film, a metal carbide for preventing metal diffusion at the interface between the organic interlayer insulating film and the metal film. A film is formed as a barrier film. Accordingly, the ratio of the barrier film having a high resistance is reduced, and the resistance of the wiring layer can be lowered in a state where the barrier film has a sufficient metal diffusion preventing function.

ここでは、バリア膜の材料に、炭化金属膜としてTaC(炭化タンタル)を用いているが、Ti(チタン)またはTi(チタン)の窒化物をバリア膜の材料として用いても良いとしている。ただし、バリア膜に用いるTi膜の膜厚に関する記載はない。また、バリア膜に用いるTiN膜のTi(チタン)とN(窒素)の具体的な原子数の比率についての記載はない。また、バリア膜の材料としてTi酸化物を用いる旨の記載はない。   Here, TaC (tantalum carbide) is used as the metal film for the barrier film, but Ti (titanium) or nitride of Ti (titanium) may be used as the material for the barrier film. However, there is no description regarding the thickness of the Ti film used for the barrier film. Moreover, there is no description about the specific atomic ratio of Ti (titanium) and N (nitrogen) of the TiN film used for the barrier film. There is no description that Ti oxide is used as the material of the barrier film.

特許文献2(特開2003−124313号公報)には、Cu(銅)を配線材料とする多層配線構造において、銅の拡散による汚染を防止する一方で、Cuビアにおける下層配線層との密着性を改善してコンタクト抵抗を低減する技術が開示されている。具体的には、デュアルダマシン法により層間絶縁膜間に形成されたCu配線層と、該層間絶縁膜に開口されたビアホール内に形成され、Cu配線層に接続されたCuビアとを備える半導体装置において、Cuビアの側面に層間絶縁膜と密着性のあるTaNバリア膜と、銅と密着性のあるTaバリア膜とを積層し、Cuビアの底面にTaバリア膜のみを形成するものである。これにより、Taバリア膜およびTaNバリア膜によってCuの拡散による汚染を防止し、銅と層間絶縁膜との密着性を高め、Cuビアの剥離を防止することができるとしている。また、Cuビアの底面とCu配線層との密着性を高め、CuビアとCu配線層との界面でのCu原子の移動を抑制し、エレクトロマイグレーション耐性または熱ストレス耐性を高め、コンタクト抵抗を低減することができるとしている。   In Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-124313), in a multilayer wiring structure using Cu (copper) as a wiring material, while preventing contamination due to copper diffusion, adhesion to a lower wiring layer in a Cu via is disclosed. A technique for improving contact resistance and reducing contact resistance is disclosed. Specifically, a semiconductor device including a Cu wiring layer formed between interlayer insulating films by a dual damascene method, and a Cu via formed in a via hole opened in the interlayer insulating film and connected to the Cu wiring layer In this method, a TaN barrier film having adhesiveness with the interlayer insulating film and a Ta barrier film having adhesiveness with copper are laminated on the side surface of the Cu via, and only the Ta barrier film is formed on the bottom surface of the Cu via. Thereby, the Ta barrier film and the TaN barrier film prevent contamination due to diffusion of Cu, improve the adhesion between copper and the interlayer insulating film, and prevent the peeling of the Cu via. In addition, the adhesion between the bottom surface of the Cu via and the Cu wiring layer is increased, the movement of Cu atoms at the interface between the Cu via and the Cu wiring layer is suppressed, the electromigration resistance or the thermal stress resistance is increased, and the contact resistance is reduced. You can do that.

ここでは、バリア膜の材料としてTa(タンタル)およびTaN(窒化タンタル)を用いているが、Ti(チタン)およびTiN(窒化チタン)の組み合わせをバリア膜の材料として用いても良いとしている。ただし、バリア膜に用いるTi膜の膜厚に関する記載はない。また、バリア膜に用いるTiN膜のTi(チタン)とN(窒素)の具体的な原子数の比率についての記載はない。また、バリア膜の材料としてTi酸化物を用いる旨の記載はない。   Here, Ta (tantalum) and TaN (tantalum nitride) are used as the material of the barrier film, but a combination of Ti (titanium) and TiN (titanium nitride) may be used as the material of the barrier film. However, there is no description regarding the thickness of the Ti film used for the barrier film. Moreover, there is no description about the specific atomic ratio of Ti (titanium) and N (nitrogen) of the TiN film used for the barrier film. There is no description that Ti oxide is used as the material of the barrier film.

特開2004−79802号公報JP 2004-79802 A 特開2003−124313号公報JP 2003-124313 A

前述したように、近年、Cu(銅)を含む配線を有するLSIなどの半導体装置では、Cuの拡散防止のためにTaを含むバリア膜をCu配線の側壁および底面に形成する方法が用いられるようになってきている。   As described above, in recent years, in a semiconductor device such as an LSI having a wiring containing Cu (copper), a method of forming a barrier film containing Ta on the side wall and bottom surface of the Cu wiring is used to prevent diffusion of Cu. It is becoming.

しかし、Ta(タンタル)を含むバリア膜は、バリア膜を構成する金属(バリアメタル)の材料として要求される拡散防止機能以外の特性、および量産に際し注目される材料コスト等の観点からは、必ずしも最良の材料とは言い難い面がある。例えば、Ta(タンタル)を含むバリア膜は銅との濡れ性が良くないため、絶縁膜に形成された配線溝内において、Ta(タンタル)を含むバリア膜を介して形成される配線材料である銅の埋め込み性が悪くなり、信頼性が低下する問題がある。   However, a barrier film containing Ta (tantalum) is not necessarily from the viewpoints of characteristics other than the diffusion preventing function required as a material of the metal (barrier metal) constituting the barrier film, and material costs to be noted in mass production. There are aspects that are hard to say as the best materials. For example, a barrier film containing Ta (tantalum) is a wiring material formed through a barrier film containing Ta (tantalum) in a wiring groove formed in the insulating film because the wettability with copper is not good. There is a problem that copper embedding is deteriorated and reliability is lowered.

ここで、前述したTa(タンタル)を含むバリア膜の問題点について、図25〜図28を用い、Ta(タンタル)およびTaN(窒化タンタル)をバリア膜として形成した場合のCu配線を例として説明する。図25は、Ta(タンタル)およびTaN(窒化タンタル)をバリア膜として形成した場合に、正常に形成されたCu配線の近傍を示す要部断面図である。図26〜図28は、それぞれTa(タンタル)およびTaN(窒化タンタル)をバリア膜として形成した場合の、デュアルダマシン配線の製造工程を示す要部断面図である。   Here, the problem of the barrier film containing Ta (tantalum) described above will be described with reference to FIGS. 25 to 28, using Cu wiring when Ta (tantalum) and TaN (tantalum nitride) are formed as a barrier film as an example. To do. FIG. 25 is a fragmentary cross-sectional view showing the vicinity of a Cu wiring formed normally when Ta (tantalum) and TaN (tantalum nitride) are formed as a barrier film. 26 to 28 are cross-sectional views of the main part showing the manufacturing process of the dual damascene wiring when Ta (tantalum) and TaN (tantalum nitride) are formed as barrier films, respectively.

図25に示す半導体装置内において、Ta(タンタル)を主体とするバリアメタル材料を用いた配線は、ダマシン法により形成されている。すなわち、例として示す半導体装置は、絶縁膜If上の第1層間絶縁膜1およびストッパ絶縁膜Sfに形成された配線溝G1内にシングルダマシン法により形成された下層配線M1と、第1層間絶縁膜1上のライナー膜5および第2層間絶縁膜6に形成されたビアホールV2内および第2層間絶縁膜6に形成された配線溝G2内にデュアルダマシン法により埋め込まれ、下層配線M1と電気的に接続された上層配線M2とを有している。ビアホールV2は配線溝G1の底面において開口し、下層配線M1の上面に達する孔部である。   In the semiconductor device shown in FIG. 25, wiring using a barrier metal material mainly composed of Ta (tantalum) is formed by a damascene method. That is, the semiconductor device shown as an example includes the lower interlayer wiring M1 formed by the single damascene method in the wiring groove G1 formed in the first interlayer insulating film 1 and the stopper insulating film Sf on the insulating film If, and the first interlayer insulating film. The via hole V2 formed in the liner film 5 and the second interlayer insulating film 6 on the film 1 and the wiring groove G2 formed in the second interlayer insulating film 6 are buried by the dual damascene method, and electrically connected to the lower layer wiring M1. And an upper layer wiring M2. The via hole V2 is a hole that opens at the bottom surface of the wiring groove G1 and reaches the upper surface of the lower layer wiring M1.

下層配線M1は主にCu膜4からなり、Cu膜4と第1層間絶縁膜1との間にはTa(タンタル)からなるTa膜3aが形成され、Ta膜3aと第1層間絶縁膜1との間にはTaN(窒化タンタル)からなるTaN膜2aが形成されている。Cu膜4とTa膜3aとの間には、Cu(銅)からなるCuシード膜4aが形成されている。   The lower layer wiring M1 is mainly made of the Cu film 4, and a Ta film 3a made of Ta (tantalum) is formed between the Cu film 4 and the first interlayer insulating film 1, and the Ta film 3a and the first interlayer insulating film 1 are formed. Between the two, a TaN film 2a made of TaN (tantalum nitride) is formed. A Cu seed film 4a made of Cu (copper) is formed between the Cu film 4 and the Ta film 3a.

同様に、上層配線M2は主にCu膜9からなり、Cu膜9とライナー膜5および第2層間絶縁膜6との間にはTa(タンタル)からなるTa膜8aが形成され、Ta膜8aとライナー膜5および第2層間絶縁膜6との間にはTaN(窒化タンタル)からなるTaN膜7aが形成されている。また、Cu膜9とTa膜8aとの間には、Cu(銅)からなるCuシード膜9aが形成されている。下層配線M1は、下層配線M1の下部のコンタクトプラグCpを介して第1層間絶縁膜1よりも下層の半導体基板上に形成された半導体素子に電気的に接続されている。   Similarly, the upper wiring M2 is mainly made of the Cu film 9, and a Ta film 8a made of Ta (tantalum) is formed between the Cu film 9, the liner film 5 and the second interlayer insulating film 6, and the Ta film 8a. Between the liner film 5 and the second interlayer insulating film 6, a TaN film 7a made of TaN (tantalum nitride) is formed. A Cu seed film 9a made of Cu (copper) is formed between the Cu film 9 and the Ta film 8a. The lower layer wiring M1 is electrically connected to a semiconductor element formed on a lower semiconductor substrate than the first interlayer insulating film 1 through a contact plug Cp below the lower layer wiring M1.

図25に示す断面図は、Ta膜8a、TaN膜7a、Cuシード膜9aおよびCu膜9がそれぞれ正常に形成されたCu配線を示している。このとき、Cu膜9内には空隙(ボイド)は形成されておらず、配線溝G2内およびビアホールV2内ではバリア膜およびCuシード膜9aを介して均一にCu膜9が埋め込まれている。   The cross-sectional view shown in FIG. 25 shows a Cu wiring in which the Ta film 8a, the TaN film 7a, the Cu seed film 9a, and the Cu film 9 are normally formed. At this time, no voids are formed in the Cu film 9, and the Cu film 9 is uniformly embedded in the wiring groove G2 and the via hole V2 via the barrier film and the Cu seed film 9a.

しかし、バリア膜として使用されているTa膜3a、8aおよびTaN膜2a、7aはCuシード膜9aとの濡れ性が悪く、Cuシード膜9aは配線溝G2内およびビアホールV2内のTa膜8aの表面に均一に形成されない場合がある。   However, the Ta films 3a and 8a and the TaN films 2a and 7a used as barrier films have poor wettability with the Cu seed film 9a, and the Cu seed film 9a is formed on the Ta film 8a in the wiring groove G2 and the via hole V2. It may not be uniformly formed on the surface.

ここで、バリア膜にTa(タンタル)を含む材料を用いた半導体装置の製造工程中の要部断面図を図26〜図28に示す。図26では、第1層間絶縁膜1の上面に下層配線M1を形成した後、第1層間絶縁膜1上にライナー膜5および第2層間絶縁膜6を形成し、ライナー膜5および第2層間絶縁膜6を貫通するビアホールV2を形成し、配線溝G2を形成した構造において、TaN膜7aを形成する工程を示している。   Here, FIG. 26 to FIG. 28 are cross-sectional views of main parts in the manufacturing process of the semiconductor device using a material containing Ta (tantalum) for the barrier film. In FIG. 26, after forming the lower layer wiring M1 on the upper surface of the first interlayer insulating film 1, the liner film 5 and the second interlayer insulating film 6 are formed on the first interlayer insulating film 1, and the liner film 5 and the second interlayer insulating film 1 are formed. The process of forming the TaN film 7a in the structure in which the via hole V2 penetrating the insulating film 6 is formed and the wiring groove G2 is formed is shown.

図26に示すように、PVD(Physical Vapor Deposition)法によってTaN膜7aおよびTa膜8aを順次形成した後に、PVD法によってTa膜8aの表面にCuシード膜を堆積する。しかし、Ta(タンタル)とCu(銅)とは濡れ性が悪いため、Cuシード膜9bは配線溝G2内およびビアホールV2内のTa膜8aの表面において均一に延びず、複数の固まりとなって点在するように形成されやすい。   As shown in FIG. 26, after a TaN film 7a and a Ta film 8a are sequentially formed by a PVD (Physical Vapor Deposition) method, a Cu seed film is deposited on the surface of the Ta film 8a by a PVD method. However, since Ta (tantalum) and Cu (copper) have poor wettability, the Cu seed film 9b does not extend uniformly on the surface of the Ta film 8a in the wiring groove G2 and the via hole V2, and becomes a plurality of masses. It is easy to be formed to be scattered.

このようにCuシード膜9bが配線溝G2内およびビアホールV2内において不連続に形成された場合、図26の工程の後にCuシード膜上に電界メッキ法によりCu膜を形成すると、図27に示すように、Cu膜9内に空隙(ボイド)11が形成されたり、図28に示すように、配線溝G2内およびビアホールV2内に空隙11が形成されることでCu膜9がビアホールV2内の底部にまで埋め込まれなくなるおそれがある。   When the Cu seed film 9b is formed discontinuously in the wiring groove G2 and the via hole V2, the Cu film is formed on the Cu seed film by the electroplating method after the process of FIG. 26, as shown in FIG. As shown in FIG. 28, the void 11 is formed in the Cu film 9, or the void 11 is formed in the wiring groove G2 and the via hole V2, as shown in FIG. There is a risk that it will not be embedded in the bottom.

図27または図28に示した工程においてCu膜9を形成した後、CMP法によって第2層間絶縁膜6上に形成されたCu膜9、Cuシード膜9a、Ta膜8aおよびTaN膜7aを除去し、Cu膜9の上面の高さを第2層間絶縁膜6の上面の高さと揃え、主にCu膜9からなる上層配線を形成する。その後、第2層間絶縁膜6上および前記上層配線上にライナー膜(図示しない)および第3層間絶縁膜(図示しない)を形成し、前記上層配線の更に上層に配線が形成される。   After forming the Cu film 9 in the process shown in FIG. 27 or FIG. 28, the Cu film 9, the Cu seed film 9a, the Ta film 8a, and the TaN film 7a formed on the second interlayer insulating film 6 are removed by the CMP method. Then, the height of the upper surface of the Cu film 9 is aligned with the height of the upper surface of the second interlayer insulating film 6, and an upper wiring mainly composed of the Cu film 9 is formed. Thereafter, a liner film (not shown) and a third interlayer insulating film (not shown) are formed on the second interlayer insulating film 6 and the upper layer wiring, and a wiring is formed further above the upper layer wiring.

ここで、図27および図28で説明したようにCu膜9の埋め込み性が悪くなるのは、配線溝G2内およびビアホールV2内において不連続に形成されたCuシード膜を電極として、Cu膜9を電界メッキ法によって形成しているためである。すなわち、Cu膜9は、電界メッキ工程において電極となるCuシード膜9aの表面に形成されるため、通電しているCuシード膜9aと不連続に形成されているCuシード膜9bの表面にはCu膜9が形成されにくい。このため、図27および図28に示すように、配線溝G2内およびビアホールV2内に空隙11が形成されやすく、前記上層配線が途中で途切れたり、前記上層配線と下層配線M1とが電気的に接続されず、前記上層配線から下層配線M1に所定の電位を供給できなくなる可能性がある。   Here, as described with reference to FIGS. 27 and 28, the Cu film 9 has poor embeddability because the Cu seed film formed discontinuously in the wiring groove G2 and the via hole V2 is used as an electrode. This is because is formed by electroplating. That is, since the Cu film 9 is formed on the surface of the Cu seed film 9a that becomes an electrode in the electroplating process, the Cu seed film 9a that is discontinuously formed on the surface of the Cu seed film 9b is formed on the surface. Cu film 9 is difficult to be formed. Therefore, as shown in FIG. 27 and FIG. 28, the air gap 11 is easily formed in the wiring groove G2 and the via hole V2, the upper layer wiring is interrupted in the middle, and the upper layer wiring and the lower layer wiring M1 are electrically connected. There is a possibility that a predetermined potential cannot be supplied from the upper layer wiring to the lower layer wiring M1 without being connected.

また、Cu膜9を形成する電界メッキ工程において、Cuシード膜9aおよび9bから露出しているTa膜8aが通電して電極として機能したとしても、Cuシード膜9aの表面に比べてTa膜8aの表面ではCu膜9は形成されにくい。これは、Cu(銅)に比べて(タンタル)の抵抗値が高いためであり、これによって配線溝G2内およびビアホールV2内において形成されるCu膜9の膜厚が均一でなくなり、空隙11が形成されやすくなる。   Further, in the electroplating step for forming the Cu film 9, even if the Ta film 8a exposed from the Cu seed films 9a and 9b is energized and functions as an electrode, the Ta film 8a is compared with the surface of the Cu seed film 9a. Cu film 9 is difficult to be formed on the surface. This is because the resistance value of (tantalum) is higher than that of Cu (copper). As a result, the film thickness of the Cu film 9 formed in the wiring groove G2 and the via hole V2 is not uniform, and the void 11 is formed. It becomes easier to form.

上記のように、Ta(タンタル)を配線のバリア膜に用いて半導体装置を製造すると、Cuシード膜との濡れ性に起因するCu配線の埋め込み性の悪化によって、半導体装置の歩留まりおよび信頼性が低下する。   As described above, when a semiconductor device is manufactured using Ta (tantalum) as a barrier film for wiring, the yield and reliability of the semiconductor device are reduced due to the deterioration of the embedding property of the Cu wiring due to the wettability with the Cu seed film. descend.

また、Ta(タンタル)自体が比較的高価な材料であるため、Ta(タンタル)を配線のバリア膜に用いて半導体装置を製造すると、製品のコストが増大する問題がある。   In addition, since Ta (tantalum) itself is a relatively expensive material, manufacturing a semiconductor device using Ta (tantalum) as a barrier film for wiring has a problem of increasing the cost of the product.

以上のことから、本発明者らはTa(タンタル)に変わるバリアメタルとして、銅との濡れ性に優れているTi(チタン)を用いることを検討した。しかし、Ti(チタン)は銅と合金を形成しやすい性質を有しているため、バリア膜としてTi膜を形成した場合、Ti膜とCu膜との界面に純粋な銅よりも抵抗値が高いTi/Cu合金膜が形成され、Ti/Cu合金膜によって配線抵抗が上昇する問題がある。   From the above, the present inventors examined the use of Ti (titanium), which is excellent in wettability with copper, as a barrier metal instead of Ta (tantalum). However, since Ti (titanium) has the property of easily forming an alloy with copper, when a Ti film is formed as a barrier film, the resistance value is higher than that of pure copper at the interface between the Ti film and the Cu film. There is a problem that a Ti / Cu alloy film is formed and the wiring resistance is increased by the Ti / Cu alloy film.

本発明の目的は、銅を含む配線を有する半導体装置において、銅配線の表面に形成されたバリア膜の拡散防止機能を低下させずに銅配線の埋め込み性を向上させることにある。   An object of the present invention is to improve the embedding property of a copper wiring in a semiconductor device having a wiring containing copper without reducing the diffusion preventing function of a barrier film formed on the surface of the copper wiring.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the embodiments disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

本発明の好ましい一実施の形態である半導体装置は、
半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝内に第1バリア膜を介して形成されたCuを主成分とする金属膜と、
を有し、
前記第1バリア膜は、Taを含む第3バリア膜と、前記第3バリア膜上に前記金属膜と接して形成されたTiを含む第2バリア膜とを有するものである。
A semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention includes:
An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate;
A wiring groove formed in the interlayer insulating film;
A metal film mainly composed of Cu formed in the wiring trench via the first barrier film;
Have
The first barrier film has a third barrier film containing Ta and a second barrier film containing Ti formed on the third barrier film in contact with the metal film.

また、本発明の好ましい一実施の形態である半導体装置の製造方法は、
(a)半導体基板を準備する工程と、
(b)前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記層間絶縁膜の上面に配線溝を形成する工程と、
(d)前記配線溝内に第1バリア膜を形成する工程と、
(e)前記第1バリア膜の表面にCuを主成分とするシード膜を形成する工程と、
(f)前記シード膜を電極として電界メッキ法により前記シード膜上にCuを主成分とする金属膜を形成し、前記金属膜によって前記配線溝内を埋め込む工程と、
(g)前記半導体基板の上面を研磨して前記層間絶縁膜の上面を露出させ、前記配線溝内に前記第1バリア膜および前記金属膜を含む金属配線を形成する工程と、
を有し、
前記(d)工程では、前記配線溝内にTaを含む第2バリア膜を形成した後に、前記第2バリア膜上にTiまたはTi化合物からなる第3バリア膜を形成することにより、前記第2バリア膜および前記第3バリア膜を有する前記第1バリア膜を形成するものである。
A method for manufacturing a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention includes:
(A) preparing a semiconductor substrate;
(B) forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
(C) forming a wiring groove on the upper surface of the interlayer insulating film;
(D) forming a first barrier film in the wiring trench;
(E) forming a seed film containing Cu as a main component on the surface of the first barrier film;
(F) forming a metal film containing Cu as a main component on the seed film by electroplating using the seed film as an electrode, and filling the wiring groove with the metal film;
(G) polishing an upper surface of the semiconductor substrate to expose an upper surface of the interlayer insulating film, and forming a metal wiring including the first barrier film and the metal film in the wiring groove;
Have
In the step (d), after forming a second barrier film containing Ta in the wiring trench, a second barrier film made of Ti or a Ti compound is formed on the second barrier film, whereby the second barrier film is formed. The first barrier film having a barrier film and the third barrier film is formed.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

上記した本発明の好ましい一実施の形態によれば、銅を含む配線を有する半導体装置において、銅配線の表面に形成されたバリア膜の拡散防止機能を低下させずに銅配線の埋め込み性を向上させることができる。   According to a preferred embodiment of the present invention described above, in a semiconductor device having a wiring containing copper, the copper wiring can be embedded without deteriorating the diffusion preventing function of the barrier film formed on the surface of the copper wiring. Can be made.

本発明の実施の形態1である半導体装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 図2に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 3 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 2; 図3に続く半導体装置の製造方法を示す断面図であって、図3の一部を拡大して示す要部断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 3, and is an essential part cross-sectional view showing an enlarged part of FIG. 3; 図4に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 4; 図5に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 5; 図6に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 7 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 6; 図7に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 8 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 7; 図8に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 9 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 8; 図9の製造工程中の半導体装置を示す俯瞰図である。FIG. 10 is an overhead view showing the semiconductor device in the manufacturing process of FIG. 9. 図10に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 11 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 10; 図11の製造工程中の半導体装置を示す俯瞰図である。FIG. 12 is an overhead view showing the semiconductor device in the manufacturing process of FIG. 11. 図12に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 13 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 12; 図13に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 14 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 13; 図14に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 15 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 14; 数種類のバリア膜に対する、それらのバリア膜を用いた配線の抵抗値を示すグラフである。It is a graph which shows the resistance value of the wiring using those barrier films with respect to several types of barrier films. 本発明の実施の形態2である半導体装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor device which is Embodiment 2 of this invention. 2種類のバリア膜に対する、それらのバリア膜を用いた配線の配線間耐圧を示すグラフである。It is a graph which shows the withstand voltage between wiring of the wiring using those barrier films with respect to two types of barrier films. 本発明の実施の形態3である半導体装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor device which is Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3である半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 3 of this invention. 図20に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 21 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 20; 図21に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 22 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 21; 図22に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 23 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 22; 図23に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 24 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 23; 比較例として示す半導体装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor device shown as a comparative example. 比較例として示す半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device shown as a comparative example. 図26に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 27 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 26; 図26に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 27 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 26;

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。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. Also, in the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態によるダマシン配線の構造の一例を図1を用いて説明する。図1は半導体基板上に電界効果トランジスであるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)と、MOSFET上の層間絶縁膜に形成された金属配線とを含む半導体装置の一部を示す要部断面図である。
(Embodiment 1)
An example of the structure of the damascene wiring according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part showing a part of a semiconductor device including a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) which is a field effect transistor on a semiconductor substrate and a metal wiring formed in an interlayer insulating film on the MOSFET. is there.

図1に示すように本実施の形態の半導体装置は半導体基板SB上にMOSFETQnを形成したものである。半導体基板SB上にはゲート絶縁膜33を介してゲート電極32が形成され、ゲート電極32の下部の半導体基板SBの上面を挟むように、一対のソース・ドレイン領域30が半導体基板SBの上面に形成されている。ゲート電極32およびゲート絶縁膜33の側壁には絶縁膜からなるサイドウォール34が形成され、ソース・ドレイン領域30およびゲート電極32の上面にはそれぞれシリサイド層31が形成されている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device of the present embodiment has a MOSFET Qn formed on a semiconductor substrate SB. A gate electrode 32 is formed on the semiconductor substrate SB via a gate insulating film 33, and a pair of source / drain regions 30 are formed on the upper surface of the semiconductor substrate SB so as to sandwich the upper surface of the semiconductor substrate SB below the gate electrode 32. Is formed. Sidewalls 34 made of an insulating film are formed on the side walls of the gate electrode 32 and the gate insulating film 33, and silicide layers 31 are formed on the upper surfaces of the source / drain regions 30 and the gate electrode 32, respectively.

MOSFETQnはストッパ絶縁膜35および絶縁膜Ifに覆われており、ストッパ絶縁膜35および絶縁膜Ifには、ソース・ドレイン領域30の上部のシリサイド層31の上面に達するコンタクトホールChが形成されている。コンタクトホールCh内の側壁および底面にはバリア膜BMが形成されており、コンタクトホールCh内には、バリア膜BMを介してコンタクトプラグCpが埋め込まれている。ここで、コンタクトプラグCp、バリア膜BMおよび絶縁膜Ifのそれぞれの上面は同一の高さを有している。   MOSFET Qn is covered with stopper insulating film 35 and insulating film If, and contact hole Ch reaching the upper surface of silicide layer 31 above source / drain region 30 is formed in stopper insulating film 35 and insulating film If. . A barrier film BM is formed on the side wall and bottom surface of the contact hole Ch, and a contact plug Cp is embedded in the contact hole Ch via the barrier film BM. Here, the upper surfaces of the contact plug Cp, the barrier film BM, and the insulating film If have the same height.

絶縁膜If上にはストッパ絶縁膜Sfが形成され、ストッパ絶縁膜Sf上には第1層間絶縁膜1が形成されている。第1層間絶縁膜1およびストッパ絶縁膜Sfからなる絶縁層は、コンタクトプラグCp、バリア膜BMおよび絶縁膜Ifのそれぞれの上面に達する配線溝G1を有しており、配線溝G1内の側壁および底面にはTaN膜2が形成されている。すなわち、配線溝G1内において、第1層間絶縁膜1およびストッパ絶縁膜Sfの側壁並びにコンタクトプラグCp上、バリア膜BM上および絶縁膜If上にTaN膜2が形成されている。   A stopper insulating film Sf is formed on the insulating film If, and a first interlayer insulating film 1 is formed on the stopper insulating film Sf. The insulating layer composed of the first interlayer insulating film 1 and the stopper insulating film Sf has a wiring groove G1 reaching the upper surfaces of the contact plug Cp, the barrier film BM, and the insulating film If, and the sidewalls in the wiring groove G1 A TaN film 2 is formed on the bottom surface. That is, in the wiring groove G1, the TaN film 2 is formed on the sidewalls of the first interlayer insulating film 1 and the stopper insulating film Sf, the contact plug Cp, the barrier film BM, and the insulating film If.

配線溝G1底部のTaN膜2上並びに、TaN膜2の側面であって第1層間絶縁膜1およびストッパ絶縁膜Sfと接していない方の側面にはTi膜3が形成されている。配線溝G1底部のTi膜3上並びに、Ti膜3の側面であってTaN膜2と接していない方の側面にはCuシード膜4aが形成されている。配線溝G1底部のCuシード膜4a上並びに、Cuシード膜4aの側面であってTi膜3と接していない方の側面にはCu膜4が形成されており、Cu膜4はTaN膜2、Ti膜3およびCuシード膜4aを介して配線溝G1内に埋め込まれている。   A Ti film 3 is formed on the TaN film 2 at the bottom of the wiring groove G1 and on the side surface of the TaN film 2 that is not in contact with the first interlayer insulating film 1 and the stopper insulating film Sf. A Cu seed film 4a is formed on the Ti film 3 at the bottom of the wiring groove G1 and on the side surface of the Ti film 3 that is not in contact with the TaN film 2. The Cu film 4 is formed on the Cu seed film 4a at the bottom of the wiring groove G1 and on the side surface of the Cu seed film 4a that is not in contact with the Ti film 3, and the Cu film 4 is composed of the TaN film 2, It is buried in the wiring groove G1 through the Ti film 3 and the Cu seed film 4a.

すなわち、配線溝G1内に形成されたCu膜4と、第1層間絶縁膜1、ストッパ絶縁膜Sf、絶縁膜If、バリア膜BMおよびコンタクトプラグCpとの間には、Cu膜4側から順に、Cuシード膜4a、Ti膜3、TaN膜2が形成されている。なお、第1層間絶縁膜1、Cu膜4、並びに配線溝G1の側壁に形成されたTaN膜2、Ti膜3およびCuシード膜4aのそれぞれの上面は同一の高さを有している。なお、TaN膜2の膜厚は例えば5nm程度である。Ti膜3の膜厚は10nm未満の膜厚とし、例えば5nmとする。   That is, between the Cu film 4 formed in the wiring trench G1 and the first interlayer insulating film 1, the stopper insulating film Sf, the insulating film If, the barrier film BM, and the contact plug Cp, in this order from the Cu film 4 side. A Cu seed film 4a, a Ti film 3, and a TaN film 2 are formed. The upper surfaces of the first interlayer insulating film 1, the Cu film 4, and the TaN film 2, the Ti film 3 and the Cu seed film 4a formed on the side wall of the wiring groove G1 have the same height. The film thickness of the TaN film 2 is about 5 nm, for example. The thickness of the Ti film 3 is less than 10 nm, for example, 5 nm.

第1層間絶縁膜1上、Cu膜4上、並びに配線溝G1の側壁に形成されたTaN膜2上、Ti膜3上およびCuシード膜4a上にはライナー膜5が形成され、ライナー膜5上には第2層間絶縁膜6が形成されている。第2層間絶縁膜6は、第2層間絶縁膜6の途中深さまで達する配線溝G2を有しており、第2層間絶縁膜6およびライナー膜5からなる絶縁層は、配線溝G2の底面に開口され、Cu膜4の上面に達するビアホールV2を有している。   A liner film 5 is formed on the first interlayer insulating film 1, the Cu film 4, the TaN film 2 formed on the sidewall of the wiring groove G1, the Ti film 3 and the Cu seed film 4a. A second interlayer insulating film 6 is formed thereon. The second interlayer insulating film 6 has a wiring groove G2 that reaches the middle depth of the second interlayer insulating film 6, and the insulating layer composed of the second interlayer insulating film 6 and the liner film 5 is formed on the bottom surface of the wiring groove G2. The via hole V2 is opened and reaches the upper surface of the Cu film 4.

配線溝G2内の側壁および底面並びにビアホールV2の側壁および底面には、TaN膜7が形成されている。すなわち、配線溝G2内およびビアホールV2内において、第1層間絶縁膜1およびライナー膜5の側壁並、配線溝G2の底部である第1層間絶縁膜1の上面上並びにビアホールV2の底面のCu膜4上に、TaN膜7が形成されている。配線溝G2底部およびビアホールV2底部のTaN膜7上並びに、TaN膜7の側面であって第2層間絶縁膜6およびライナー膜5と接していない方の側面にはTi膜8が形成されている。配線溝G2底部およびビアホールV2底部のTi膜8上並びに、Ti膜8の側面であってTaN膜7と接していない方の側面にはCuシード膜9aが形成されている。配線溝G2底部およびビアホールV2底部のCuシード膜9a上並びに、Cuシード膜9aの側面であってTi膜8と接していない方の側面にはCu膜9が形成されており、Cu膜9はTaN膜7、Ti膜8およびCuシード膜9aを介して配線溝G2内およびビアホールV2内に埋め込まれている。   A TaN film 7 is formed on the side wall and bottom surface in the wiring groove G2 and on the side wall and bottom surface of the via hole V2. That is, in the wiring groove G2 and the via hole V2, the Cu film on the top surface of the first interlayer insulating film 1 and the bottom surface of the via hole V2 as well as the side walls of the first interlayer insulating film 1 and the liner film 5 A TaN film 7 is formed on 4. A Ti film 8 is formed on the TaN film 7 at the bottom of the wiring trench G2 and the bottom of the via hole V2 and on the side surface of the TaN film 7 that is not in contact with the second interlayer insulating film 6 and the liner film 5. . A Cu seed film 9a is formed on the Ti film 8 at the bottom of the wiring trench G2 and the bottom of the via hole V2 and on the side surface of the Ti film 8 that is not in contact with the TaN film 7. A Cu film 9 is formed on the Cu seed film 9a at the bottom of the wiring trench G2 and the bottom of the via hole V2 and on the side surface of the Cu seed film 9a that is not in contact with the Ti film 8, and the Cu film 9 It is buried in the wiring groove G2 and the via hole V2 via the TaN film 7, Ti film 8 and Cu seed film 9a.

なお、本実施の形態では、Ti膜3および8の部材をTi(チタン)としているが、Ti膜3および8の部材には、TiN(窒化チタン)など、チタンを含む他のTi化合物を用いても良い。   In the present embodiment, the Ti films 3 and 8 are made of Ti (titanium), but the Ti films 3 and 8 are made of another Ti compound containing titanium, such as TiN (titanium nitride). May be.

すなわち、配線溝G2内およびビアホールV2内に形成されたCu膜9と、第2層間絶縁膜6、ライナー膜5およびCu膜4との間には、Cu膜9側から順に、Cuシード膜9a、Ti膜8、TaN膜7が形成されている。なお、第2層間絶縁膜6、Cu膜9、並びに配線溝G2の側壁に形成されたTaN膜7、Ti膜8およびCuシード膜9aのそれぞれの上面は同一の高さを有している。   That is, between the Cu film 9 formed in the wiring trench G2 and the via hole V2 and the second interlayer insulating film 6, the liner film 5 and the Cu film 4, the Cu seed film 9a is sequentially formed from the Cu film 9 side. Ti film 8 and TaN film 7 are formed. The upper surfaces of the second interlayer insulating film 6, the Cu film 9, and the TaN film 7, the Ti film 8 and the Cu seed film 9a formed on the side wall of the wiring groove G2 have the same height.

また、第2層間絶縁膜6上、Cu膜9上、並びに配線溝G2の側壁に形成されたTaN膜7上、Ti膜8上およびCuシード膜9a上にはライナー膜10が形成されている。ソース・ドレイン領域30とCu膜9とは、Cuシード膜9a、Ti膜8、TaN膜7、Cu膜4、Cuシード膜4a、Ti膜3、TaN膜2、コンタクトプラグCpおよびシリサイド層31を介して電気的に接続されている。   Further, a liner film 10 is formed on the second interlayer insulating film 6, the Cu film 9, and the TaN film 7 formed on the side wall of the wiring groove G2, the Ti film 8, and the Cu seed film 9a. . The source / drain region 30 and the Cu film 9 include a Cu seed film 9a, a Ti film 8, a TaN film 7, a Cu film 4, a Cu seed film 4a, a Ti film 3, a TaN film 2, a contact plug Cp, and a silicide layer 31. Is electrically connected.

図1に示すMOSFETQnはn型のチャネル領域を有するnチャネル型MOSFETであり、例えば電気信号をスイッチングするスイッチング素子、または電気信号を増幅するための増幅素子として使用されるものである。半導体基板SBは例えばSi(シリコン)からなり、上面にp型の半導体領域を有している。ゲート絶縁膜33、サイドウォール34および絶縁膜Ifはそれぞれ例えばSiO(酸化シリコン)からなる。ストッパ絶縁膜35は例えばSiN(窒化シリコン)からなり、コンタクトホールChをドライエッチによって開口する際、エッチングストッパ膜として機能するものである。ゲート電極32は例えばP(リン)またはAs(ヒ素)などのn型の不純物が導入された低抵抗のn型半導体膜(ドープトポリシリコン膜)であり、MOSFETQnのゲートとして機能するものである。ソース・ドレイン領域30はn型の不純物が導入されたn型半導体領域であり、MOSFETQnのソースまたはドレインとして機能するものである。 A MOSFET Qn shown in FIG. 1 is an n-channel MOSFET having an n-type channel region, and is used, for example, as a switching element for switching an electric signal or an amplifying element for amplifying an electric signal. The semiconductor substrate SB is made of, for example, Si (silicon) and has a p-type semiconductor region on the upper surface. Each of the gate insulating film 33, the sidewall 34, and the insulating film If is made of, for example, SiO 2 (silicon oxide). The stopper insulating film 35 is made of, for example, SiN (silicon nitride), and functions as an etching stopper film when the contact hole Ch is opened by dry etching. The gate electrode 32 is a low-resistance n-type semiconductor film (doped polysilicon film) into which an n-type impurity such as P (phosphorus) or As (arsenic) is introduced, and functions as the gate of the MOSFET Qn. . The source / drain region 30 is an n-type semiconductor region into which an n-type impurity is introduced, and functions as the source or drain of the MOSFET Qn.

シリサイド層31は、例えばNi(ニッケル)とSi(シリコン)の化合物であるNiSi(ニッケルシリサイド)からなり、W(タングステン)からなるコンタクトプラグCpとソース・ドレイン領域30とを電気的に接続している。バリア膜BMは例えばTiまたはTi化合物からなり、コンタクトプラグCp内のW(タングステン)が絶縁膜If内に拡散することを防ぐ機能を有する。ライナー膜5は例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成されるSiC(炭化シリコン)からなる絶縁膜であるが、SiC以外の部材としては、SiN(窒化シリコン)、SiCN(炭窒化シリコン)またはSiOC(炭酸化シリコン)などを例示することができる。第1層間絶縁膜1および第2層間絶縁膜6はSiO(酸化シリコン)よりも吸湿性が高く、水分を含みやすい絶縁膜により形成されており、例えば、第1層間絶縁膜1および第2層間絶縁膜6はそれぞれ主にSiOCからなる。 The silicide layer 31 is made of, for example, NiSi (nickel silicide) which is a compound of Ni (nickel) and Si (silicon), and electrically connects the contact plug Cp made of W (tungsten) and the source / drain regions 30. Yes. The barrier film BM is made of, for example, Ti or a Ti compound, and has a function of preventing W (tungsten) in the contact plug Cp from diffusing into the insulating film If. The liner film 5 is an insulating film made of SiC (silicon carbide) formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. As a member other than SiC, SiN (silicon nitride), SiCN (silicon carbonitride), or SiOC is used. (Carbonated silicon) can be exemplified. The first interlayer insulating film 1 and the second interlayer insulating film 6 are formed of an insulating film having higher hygroscopicity than SiO 2 (silicon oxide) and easily containing moisture. For example, the first interlayer insulating film 1 and the second interlayer insulating film 1 Each of the interlayer insulating films 6 is mainly made of SiOC.

TaN膜2は主にTaN(窒化タンタル、タンタルナイトライド)からなる導電性の金属膜であり、Cu膜4内のCu(銅)が第1層間絶縁膜1、ストッパ絶縁膜Sfまたは絶縁膜Ifなどに拡散することを防いでいる。また、Ti膜3は主にTi(チタン)からなる導電性の金属膜であり、Cu膜4内のCu(銅)が第1層間絶縁膜1、ストッパ絶縁膜Sfまたは絶縁膜Ifなどに拡散することを防いでいる。また、Ti膜3はCu(銅)との密着性が高く、Ti膜を形成することで配線溝G1内においてCuシード膜4aおよびCu膜4がTaN膜2およびTi膜3を介して隙間なく埋め込まれるようにしている。Cu膜4、9およびCuシード膜4a、9aは主にCu(銅)またはCu(銅)と他の金属(例えばAl(アルミニウム)、Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、Ga(ガリウム)またはSn(錫)など)との合金からなる導電膜であり、ソース・ドレイン領域30に所定の電位を供給する導電経路の一部である。   The TaN film 2 is a conductive metal film mainly made of TaN (tantalum nitride, tantalum nitride), and Cu (copper) in the Cu film 4 is the first interlayer insulating film 1, the stopper insulating film Sf, or the insulating film If. To prevent it from diffusing. The Ti film 3 is a conductive metal film mainly made of Ti (titanium), and Cu (copper) in the Cu film 4 diffuses into the first interlayer insulating film 1, the stopper insulating film Sf, the insulating film If, or the like. To prevent you from doing. Further, the Ti film 3 has high adhesiveness with Cu (copper), and by forming the Ti film, the Cu seed film 4a and the Cu film 4 can be formed through the TaN film 2 and the Ti film 3 without any gap in the wiring groove G1. It is supposed to be embedded. The Cu films 4 and 9 and the Cu seed films 4a and 9a are mainly Cu (copper) or Cu (copper) and another metal (for example, Al (aluminum), Si (silicon), Ge (germanium), Ga (gallium) or Sn (tin) or the like, and is a part of a conductive path for supplying a predetermined potential to the source / drain region 30.

ライナー膜5および10は、Cu膜4または9内のCu(銅)がCu膜4または9のそれぞれの上方に拡散することを防ぐ働きを有する。ライナー膜5および10は、それぞれSiN、SiC、SiCNおよびSiOCの内の少なくとも一つを主に含む絶縁膜である。   The liner films 5 and 10 have a function of preventing Cu (copper) in the Cu film 4 or 9 from diffusing above the Cu film 4 or 9. The liner films 5 and 10 are insulating films mainly containing at least one of SiN, SiC, SiCN and SiOC, respectively.

TaN膜7はTaN膜2と同様に、主にTaN(窒化タンタル、タンタルナイトライド)からなる導電性の金属膜であり、Cu膜9内のCu(銅)が第2層間絶縁膜6などに拡散することを防いでいる。Ti膜8は主にTi(チタン)からなる導電性の金属膜であり、Ti膜3と同様にCu膜9内のCu(銅)が第2層間絶縁膜6などに拡散することを防いでいる。Ti膜3と同様に、Ti膜8は配線溝G1内におけるCuシード膜9aおよびCu膜9の埋め込み性を向上させている。   Similar to the TaN film 2, the TaN film 7 is a conductive metal film mainly made of TaN (tantalum nitride, tantalum nitride), and Cu (copper) in the Cu film 9 becomes the second interlayer insulating film 6 and the like. Prevents diffusion. The Ti film 8 is a conductive metal film mainly made of Ti (titanium), and prevents Cu (copper) in the Cu film 9 from diffusing into the second interlayer insulating film 6 and the like in the same manner as the Ti film 3. Yes. Similar to the Ti film 3, the Ti film 8 improves the embedding property of the Cu seed film 9a and the Cu film 9 in the wiring groove G1.

次に本実施の形態の半導体装置の製造方法について、図2〜図15を用いて説明する。図2および図3はMOSFETQnを含む本実施の形態の半導体装置の要部断面図であり、図4〜図9、図11および図13〜図15は、図3に示すコンタクトプラグCpの上部を拡大して示す要部断面図である。また、図10および図12は、それぞれ図9および図11に示す領域のビアホールおよび配線溝を示す俯瞰図である。なお、本発明は金属配線に関する発明であり、MOSFET以外のダイオードまたはキャパシタなど他の半導体装置にも適応できるため、ここではMOSFETQnを形成する詳しい工程の説明は省略する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views of the main part of the semiconductor device of the present embodiment including the MOSFET Qn. FIGS. 4 to 9, 11 and 13 to 15 show the upper part of the contact plug Cp shown in FIG. It is principal part sectional drawing which expands and shows. 10 and 12 are overhead views showing via holes and wiring grooves in the regions shown in FIGS. 9 and 11, respectively. Note that the present invention relates to a metal wiring and can be applied to other semiconductor devices such as a diode or a capacitor other than the MOSFET, and therefore, detailed description of the process for forming the MOSFET Qn is omitted here.

まず、図2に示すように、周知の技術を用いて半導体基板SBの上面にMOSFETQnを形成する。MOSFETQnは半導体基板SBの上面上にゲート絶縁膜33を介して形成されたゲート電極32と、半導体基板SBの上面に形成されたn型半導体領域であるソース・ドレイン領域30を有するものである。ゲート電極32の側壁には主に酸化シリコンからなるサイドウォール34が形成され、ゲート電極32およびソース・ドレイン領域30の上面にはそれぞれシリサイド層31が形成されている。   First, as shown in FIG. 2, a MOSFET Qn is formed on the upper surface of the semiconductor substrate SB using a known technique. The MOSFET Qn has a gate electrode 32 formed on the upper surface of the semiconductor substrate SB via a gate insulating film 33, and a source / drain region 30 which is an n-type semiconductor region formed on the upper surface of the semiconductor substrate SB. Side walls 34 mainly made of silicon oxide are formed on the side walls of the gate electrode 32, and silicide layers 31 are formed on the upper surfaces of the gate electrode 32 and the source / drain regions 30, respectively.

次に、ゲート電極32、ソース・ドレイン領域30、サイドウォール34およびシリサイド層31を含む半導体基板SBの主面(全面)を覆うようにストッパ絶縁膜35を形成する。ストッパ絶縁膜35は例えば窒化シリコン膜からなり、成膜温度(基板温度)450℃程度のプラズマCVD法などにより形成することができる。ストッパ絶縁膜35はMOSFETQn上にコンタクトホールを形成する際のエッチングストッパ膜として機能する。   Next, a stopper insulating film 35 is formed so as to cover the main surface (entire surface) of the semiconductor substrate SB including the gate electrode 32, the source / drain region 30, the sidewall 34 and the silicide layer 31. The stopper insulating film 35 is made of, for example, a silicon nitride film, and can be formed by a plasma CVD method or the like at a film formation temperature (substrate temperature) of about 450 ° C. The stopper insulating film 35 functions as an etching stopper film when a contact hole is formed on the MOSFET Qn.

その後、ストッパ絶縁膜35上にストッパ絶縁膜35よりも厚い絶縁膜Ifを形成する。絶縁膜Ifは例えば酸化シリコン膜などからなり、TEOSを用いて成膜温度450℃程度のプラズマCVD法などにより形成することができる。その後、絶縁膜Ifの表面をCMP法により研磨するなどして、絶縁膜Ifの上面を平坦化する。下地段差に起因して絶縁膜Ifの表面に凹凸形状が形成されていても、絶縁膜Ifの表面をCMP法により研磨することにより、その表面が平坦化された絶縁膜を得ることができる。   Thereafter, an insulating film If thicker than the stopper insulating film 35 is formed on the stopper insulating film 35. The insulating film If is made of, for example, a silicon oxide film or the like, and can be formed by a plasma CVD method using TEOS at a film formation temperature of about 450 ° C. Thereafter, the upper surface of the insulating film If is planarized by polishing the surface of the insulating film If by a CMP method or the like. Even if unevenness is formed on the surface of the insulating film If due to the level difference in the base, the insulating film having a flattened surface can be obtained by polishing the surface of the insulating film If by the CMP method.

次に、図3に示すように、絶縁膜If上に形成したフォトレジストパターン(図示しない)をエッチングマスクとして用いて、絶縁膜35および絶縁膜Ifをドライエッチングすることにより、ストッパ絶縁膜35および絶縁膜Ifを貫通するコンタクトホール(貫通孔、孔)Chを形成する。コンタクトホールChの底部では、半導体基板SBの主面の一部、例えばソース・ドレイン領域30の表面上のシリサイド層31の上面が露出され、図示していない領域では、ゲート電極32と同層のゲート接続部の上面のシリサイド層の上面が露出される。   Next, as shown in FIG. 3, the insulating film 35 and the insulating film If are dry-etched using a photoresist pattern (not shown) formed on the insulating film If as an etching mask, so that the stopper insulating film 35 and A contact hole (through hole, hole) Ch that penetrates the insulating film If is formed. At the bottom of the contact hole Ch, a part of the main surface of the semiconductor substrate SB, for example, the upper surface of the silicide layer 31 on the surface of the source / drain region 30 is exposed, and in the region not shown, it is the same layer as the gate electrode 32. The upper surface of the silicide layer on the upper surface of the gate connection portion is exposed.

その後、コンタクトホールCh内および絶縁膜If上にTi(チタン)を含むバリア膜BMを形成した後、コンタクトホールCh内にW(タングステン)膜を充填し、バリア膜BMおよびタングステン膜を研磨することで絶縁膜Ifの上面を露出させ、コンタクトプラグCpを形成する。   Thereafter, after forming a barrier film BM containing Ti (titanium) in the contact hole Ch and on the insulating film If, the contact hole Ch is filled with a W (tungsten) film, and the barrier film BM and the tungsten film are polished. The upper surface of the insulating film If is exposed to form a contact plug Cp.

コンタクトプラグCpを形成するには、例えば、コンタクトホールChの内部(底部および側壁上)を含む絶縁膜If上に、成膜温度(基板温度)450℃程度のプラズマCVD法によりバリア膜(例えばチタン膜、窒化チタン膜、あるいはそれらの積層膜)BMを形成する。それから、タングステン膜などからなる主導体膜をCVD法などによってバリア膜BM上にコンタクトホールChを埋めるように形成した後、絶縁膜If上の不要な主導体膜およびバリア膜BMをCMP法またはエッチバック法などによって除去することにより、コンタクトプラグCpを形成することができる。図示は省略するが、このとき、ゲート電極32と一体となってゲート電極32と同層に形成された接続部の上面にもシリサイド層が形成され、接続部上にはシリサイド層を介してコンタクトプラグが形成される。   In order to form the contact plug Cp, for example, a barrier film (for example, titanium) is formed on the insulating film If including the inside (on the bottom and side walls) of the contact hole Ch by a plasma CVD method at a film formation temperature (substrate temperature) of about 450 ° C. Film, titanium nitride film, or a laminated film thereof) BM. Then, after forming a main conductor film made of a tungsten film or the like so as to fill the contact hole Ch on the barrier film BM by a CVD method or the like, the unnecessary main conductor film and the barrier film BM on the insulating film If are formed by CMP or etching. The contact plug Cp can be formed by removing by the back method or the like. Although illustration is omitted, at this time, a silicide layer is also formed on the upper surface of the connection portion formed integrally with the gate electrode 32 and in the same layer as the gate electrode 32, and contact is made on the connection portion via the silicide layer. A plug is formed.

次に、図4に示すように、コンタクトプラグCpが埋め込まれた絶縁膜If上に、ストッパ絶縁膜Sfおよび配線形成用の第1層間絶縁膜1を順次形成する。なお、図4〜図9、図11および図13〜図15は、図3で示した破線で囲まれた領域を拡大して示す要部断面図であり、コンタクトプラグCpの上部の配線形成領域を示している。ストッパ絶縁膜Sfは第1層間絶縁膜1への溝加工の際にエッチングストッパ膜となる膜であり、第1層間絶縁膜1に対してエッチング選択比を有する材料を用いる。ストッパ絶縁膜Sfは、例えばプラズマCVD法により形成されるSiN(窒化シリコン)膜とし、第1層間絶縁膜1は、例えばプラズマCVD法により形成されるSiOC(炭酸化シリコン)膜とすることができる。   Next, as shown in FIG. 4, the stopper insulating film Sf and the first interlayer insulating film 1 for wiring formation are sequentially formed on the insulating film If in which the contact plug Cp is embedded. 4 to 9, FIG. 11, and FIG. 13 to FIG. 15 are enlarged cross-sectional views of the main part showing the region surrounded by the broken line shown in FIG. 3, and the wiring formation region above the contact plug Cp. Is shown. The stopper insulating film Sf is a film that becomes an etching stopper film when a groove is formed in the first interlayer insulating film 1, and a material having an etching selectivity with respect to the first interlayer insulating film 1 is used. The stopper insulating film Sf can be, for example, a SiN (silicon nitride) film formed by a plasma CVD method, and the first interlayer insulating film 1 can be, for example, a SiOC (silicon carbonate) film formed by a plasma CVD method. .

次に、図5に示すように、シングルダマシン法により第1層目の配線を形成する。まず、レジストパターン(図示しない)をマスクとしたドライエッチングによって第1層間絶縁膜1およびストッパ絶縁膜Sfの所定の領域に、絶縁膜If、コンタクトプラグCpおよびバリア膜BMの上面を露出する配線溝G1を形成する。   Next, as shown in FIG. 5, a first layer wiring is formed by a single damascene method. First, a wiring trench that exposes the upper surfaces of the insulating film If, the contact plug Cp, and the barrier film BM in predetermined regions of the first interlayer insulating film 1 and the stopper insulating film Sf by dry etching using a resist pattern (not shown) as a mask. G1 is formed.

次に、図6に示すように、半導体基板SB(図示しない)の主面上(すなわち配線溝G1の底部および側壁上を含む第1層間絶縁膜1上)にTaN(窒化タンタル、タンタルナイトライド)からなるバリア導体膜(バリアメタル膜)であるTaN膜2およびTi(チタン)からなるバリア導体膜であるTi膜3を順次PVD法により形成する。TaN膜2の膜厚は5nm程度である。Ti膜3の膜厚は10nm未満の膜厚とし、例えば5nmとする。ここではバリア導体膜としてTi膜3の下層にTaN膜2を形成しているが、TaN膜2の代わりに、Ta(タンタル)膜またはその他のタンタル化合物、タンタル合金、チタン化合物、チタン合金、タングステン、タングステン化合物、Ru(ルテニウム)若しくはルテニウム化合物などを主に含む導体膜をバリア導体膜として用いることができる。   Next, as shown in FIG. 6, TaN (tantalum nitride, tantalum nitride) is formed on the main surface of the semiconductor substrate SB (not shown) (that is, on the first interlayer insulating film 1 including the bottom and side walls of the wiring groove G1). The TaN film 2 that is a barrier conductor film (barrier metal film) and the Ti film 3 that is a barrier conductor film made of Ti (titanium) are sequentially formed by the PVD method. The film thickness of the TaN film 2 is about 5 nm. The thickness of the Ti film 3 is less than 10 nm, for example, 5 nm. Here, the TaN film 2 is formed under the Ti film 3 as a barrier conductor film, but instead of the TaN film 2, a Ta (tantalum) film or other tantalum compound, tantalum alloy, titanium compound, titanium alloy, tungsten In addition, a conductor film mainly containing a tungsten compound, Ru (ruthenium), a ruthenium compound, or the like can be used as the barrier conductor film.

続いて、PVD法によりTi膜3上にCu(銅)からなるCuシード膜4aを形成し、さらに電解メッキ法を用いてCuシード膜4a上にCu膜4を形成することにより、TaN膜2、Ti膜3、Cuシード膜4aおよびCu膜4によって配線溝G1の内部を埋め込む。その後、N(窒素)などの不活性ガスの雰囲気において製造工程中の半導体装置を熱処理することでCuシード膜4aおよびCu膜4を一体化させ、また、Cuの結晶粒径を成長させて大きくする。なお、このときの熱処理を不活性ガスの雰囲気において行うのは、銅が酸化しやすい材料であり、できるだけ酸素を除去した雰囲気において熱処理を行うことが好ましいためである。Cu膜4が酸化した場合、Cu膜4の導電率が下がり、また、半導体装置の信頼性が低下する。ここでは、熱処理によりCuシード膜4aおよびCu膜4を一体化するが、図ではCuシード膜4aおよびCu膜4を区別して示すものとする。 Subsequently, a Cu seed film 4a made of Cu (copper) is formed on the Ti film 3 by the PVD method, and further the Cu film 4 is formed on the Cu seed film 4a by using an electrolytic plating method, whereby the TaN film 2 The inside of the wiring groove G1 is filled with the Ti film 3, the Cu seed film 4a, and the Cu film 4. Thereafter, the Cu seed film 4a and the Cu film 4 are integrated by heat-treating the semiconductor device in the manufacturing process in an atmosphere of an inert gas such as N 2 (nitrogen), and the crystal grain size of Cu is grown. Enlarge. Note that the heat treatment at this time is performed in an inert gas atmosphere because it is a material that easily oxidizes copper, and it is preferable to perform the heat treatment in an atmosphere from which oxygen is removed as much as possible. When the Cu film 4 is oxidized, the conductivity of the Cu film 4 is lowered, and the reliability of the semiconductor device is lowered. Here, the Cu seed film 4a and the Cu film 4 are integrated by heat treatment, but in the figure, the Cu seed film 4a and the Cu film 4 are shown separately.

また、TaN膜2およびTi膜3を形成する前に、必要に応じてH(水素)ガスを用いたアニール処理やプラズマ処理といった前処理(プリクリーン)を行っても良い。 Further, before the TaN film 2 and the Ti film 3 are formed, pretreatment (preclean) such as annealing treatment or plasma treatment using H 2 (hydrogen) gas may be performed as necessary.

次に、図7に示すように、配線溝G1内以外の領域のCu膜4、Cuシード膜4a、Ti膜3およびTaN膜2をCMP法により除去して第1層間絶縁膜1の上面を露出することで、TaN膜2、Ti膜3、Cuシード膜4aおよびCu膜4からなり、銅を主導電材料とする第1層目の金属配線(下層配線M1)を形成する。   Next, as shown in FIG. 7, the Cu film 4, the Cu seed film 4a, the Ti film 3 and the TaN film 2 in regions other than the inside of the wiring groove G1 are removed by the CMP method, and the upper surface of the first interlayer insulating film 1 is removed. By exposing, a first layer metal wiring (lower layer wiring M1) composed of TaN film 2, Ti film 3, Cu seed film 4a and Cu film 4 and using copper as a main conductive material is formed.

なお、前述したCuシード膜4aおよびCu膜4を一体化させる熱処理は、図7を用いて説明したCMP法による研磨工程の前ではなく後に行っても良い。   The above-described heat treatment for integrating the Cu seed film 4a and the Cu film 4 may be performed after the polishing process by the CMP method described with reference to FIG.

次に、図8に示すように、半導体基板SB(図示しない)の主面上(すなわち第1層間絶縁膜1上、TaN膜2上、Ti膜3上、Cuシード膜4a上およびCu膜4上)にSiC(炭化シリコン)からなるライナー膜5およびSiOC(炭酸化シリコン)からなる第2層間絶縁膜6を順次CVD法により形成する。   Next, as shown in FIG. 8, on the main surface of the semiconductor substrate SB (not shown) (that is, on the first interlayer insulating film 1, on the TaN film 2, on the Ti film 3, on the Cu seed film 4a, and on the Cu film 4). On the top, a liner film 5 made of SiC (silicon carbide) and a second interlayer insulating film 6 made of SiOC (silicon carbonate) are sequentially formed by a CVD method.

次に、図9および図10に示すように、Cu膜4の上面を露出するビアホールV2を形成する。図10は図9に示す製造工程中の半導体装置の断面を示す俯瞰図である。ビアホールV2は、レジストパターン(図示しない)をマスクとしたドライエッチングによって第2層間絶縁膜6およびライナー膜5の所定の領域に形成する。図10に示すように、例えばビアホールV2は断続的に複数形成する孔であり、溝状の形状を有するものではない。   Next, as shown in FIGS. 9 and 10, a via hole V2 exposing the upper surface of the Cu film 4 is formed. FIG. 10 is an overhead view showing a cross section of the semiconductor device in the manufacturing process shown in FIG. The via hole V2 is formed in a predetermined region of the second interlayer insulating film 6 and the liner film 5 by dry etching using a resist pattern (not shown) as a mask. As shown in FIG. 10, for example, a plurality of via holes V2 are formed intermittently, and do not have a groove shape.

次に、図11および図12に示すように、第2層目の配線を形成するための配線溝G2を形成する。図12は図11に示す製造工程中の半導体装置の断面を示す俯瞰図である。配線溝G2は、レジストパターン(図示しない)をマスクとしたドライエッチングによって第2層間絶縁膜6の所定の領域に形成する。配線溝G2は第2層間絶縁膜6の途中深さまでドライエッチングして形成し、下部のCu膜4の上面は露出しない。   Next, as shown in FIGS. 11 and 12, a wiring groove G2 for forming a second-layer wiring is formed. 12 is an overhead view showing a cross section of the semiconductor device in the manufacturing process shown in FIG. The wiring groove G2 is formed in a predetermined region of the second interlayer insulating film 6 by dry etching using a resist pattern (not shown) as a mask. The wiring groove G2 is formed by dry etching to a depth halfway of the second interlayer insulating film 6, and the upper surface of the lower Cu film 4 is not exposed.

なお、本実施の形態では図9および図10に示した工程でビアホールV2を形成した後に図11および図12に示した工程で配線溝G2を形成したが、これらの工程の順番は逆でも良い。すなわち、図8に示すような第2層間絶縁膜6が形成された製造工程中の半導体装置に配線溝G2およびビアホールV2を形成する場合、配線溝G2を形成してから、レジストパターンをマスクとしたドライエッチングによってビアホールV2を形成しても構わない。   In this embodiment, the via hole V2 is formed in the steps shown in FIGS. 9 and 10, and then the wiring groove G2 is formed in the steps shown in FIGS. 11 and 12. However, the order of these steps may be reversed. . That is, when forming the wiring groove G2 and the via hole V2 in the semiconductor device in the manufacturing process in which the second interlayer insulating film 6 as shown in FIG. 8 is formed, the wiring groove G2 is formed and then the resist pattern is used as a mask. The via hole V2 may be formed by dry etching.

次に、下層配線M1を形成した工程と同様の工程により第2層目の配線を形成する。ここでは、デュアルダマシン法を用いて第2層目の配線を形成する。つまり、図13に示すように、半導体基板SB(図示しない)の主面上(すなわち配線溝G2の底部および側壁上を含む第2層間絶縁膜6上並びにビアホールV2の底部および側壁上)にTaN(窒化タンタル、タンタルナイトライド)からなるバリア導体膜であるTaN膜7およびTi(チタン)からなるバリア導体膜であるTi膜8を順次PVD法により形成する。TaN膜7の膜厚は5nm程度である。Ti膜8の膜厚は10nm未満の膜厚とし、例えば5nmとする。ここではバリア導体膜としてTi膜8の下層にTaN膜7を形成しているが、TaN膜7の代わりに、Ta(タンタル)膜またはその他のタンタル化合物、タンタル合金、チタン化合物、チタン合金、タングステン、タングステン化合物、Ru(ルテニウム)若しくはルテニウム化合物などを主に含む導体膜をバリア導体膜として用いることができる。   Next, a second layer wiring is formed by the same process as the process of forming the lower layer wiring M1. Here, the second layer wiring is formed by using a dual damascene method. That is, as shown in FIG. 13, TaN is formed on the main surface of the semiconductor substrate SB (not shown) (that is, on the second interlayer insulating film 6 including the bottom and side walls of the wiring groove G2 and on the bottom and side walls of the via hole V2). A TaN film 7 which is a barrier conductor film made of (tantalum nitride, tantalum nitride) and a Ti film 8 which is a barrier conductor film made of Ti (titanium) are sequentially formed by the PVD method. The film thickness of the TaN film 7 is about 5 nm. The thickness of the Ti film 8 is less than 10 nm, for example, 5 nm. Here, the TaN film 7 is formed under the Ti film 8 as the barrier conductor film, but instead of the TaN film 7, a Ta (tantalum) film or other tantalum compound, tantalum alloy, titanium compound, titanium alloy, tungsten In addition, a conductor film mainly containing a tungsten compound, Ru (ruthenium), a ruthenium compound, or the like can be used as the barrier conductor film.

続いて、PVD法によりTi膜8上にCuシード膜9aを形成し、さらに電解メッキ法を用いてCuシード膜9a上にCu膜9を形成することにより、TaN膜7、Ti膜8、Cuシード膜9aおよびCu膜9によって配線溝G2およびビアホールV2の内部を埋め込む。その後、N(窒素)などの不活性ガスの雰囲気において製造工程中の半導体装置を熱処理することでCuシード膜9aおよびCu膜9を一体化させ、また、銅の結晶粒径を成長させて大きくする。なお、このときの熱処理を不活性ガスの雰囲気において行うのは、下層配線M1の形成工程と同様にCu膜9およびCuシード膜9a内の銅が酸化するのを防ぐためである。 Subsequently, a Cu seed film 9a is formed on the Ti film 8 by the PVD method, and further, the Cu film 9 is formed on the Cu seed film 9a by the electrolytic plating method, whereby the TaN film 7, the Ti film 8, and the Cu film 9 are formed. The inside of the wiring trench G2 and the via hole V2 is filled with the seed film 9a and the Cu film 9. Thereafter, the Cu seed film 9a and the Cu film 9 are integrated by heat-treating the semiconductor device in the manufacturing process in an atmosphere of an inert gas such as N 2 (nitrogen), and the crystal grain size of copper is grown. Enlarge. The reason why the heat treatment at this time is performed in an inert gas atmosphere is to prevent the copper in the Cu film 9 and the Cu seed film 9a from being oxidized, as in the process of forming the lower wiring M1.

なお、TaN膜7およびTi膜8を形成する前に、必要に応じてH(水素)ガスを用いたアニール処理やプラズマ処理といった前処理(プリクリーン)を行っても良い。 In addition, before forming the TaN film 7 and the Ti film 8, a pretreatment (preclean) such as an annealing treatment using H 2 (hydrogen) gas or a plasma treatment may be performed as necessary.

次に、図14に示すように、配線溝G2内およびビアホールV2内以外の領域のCu膜9、Cuシード膜9a、Ti膜8およびTaN膜7をCMP法により除去して第2層間絶縁膜6の上面を露出することで、TaN膜7、Ti膜8、Cuシード膜9aおよびCu膜9からなり、銅を主導電材料とする第2層目の金属配線(上層配線M2)を形成する。   Next, as shown in FIG. 14, the Cu film 9, the Cu seed film 9a, the Ti film 8 and the TaN film 7 in regions other than the wiring trench G2 and the via hole V2 are removed by CMP to form a second interlayer insulating film. 6 is exposed to form a second layer metal wiring (upper layer wiring M2) composed of TaN film 7, Ti film 8, Cu seed film 9a, and Cu film 9 and using copper as a main conductive material. .

なお、前述したCuシード膜9aおよびCu膜9を一体化させる熱処理は、図14を用いて説明したCMP法による研磨工程の前ではなく後に行っても良い。   The above-described heat treatment for integrating the Cu seed film 9a and the Cu film 9 may be performed after the polishing process by the CMP method described with reference to FIG.

次に、図15に示すように、半導体基板SB(図示しない)の主面上(すなわち第2層間絶縁膜6上、TaN膜7上、Ti膜8上、Cuシード膜9a上およびCu膜9上)にSiC(炭化シリコン)からなるライナー膜10をCVD法により形成することにより、図1に示す本実施の形態の半導体装置が完成する。本実施の形態では説明を省略するが、上層配線M2よりも上層の領域においては、上層配線M2と同様の工程を行うことで多層のCu配線を形成することができる。   Next, as shown in FIG. 15, on the main surface of the semiconductor substrate SB (not shown) (that is, on the second interlayer insulating film 6, on the TaN film 7, on the Ti film 8, on the Cu seed film 9a, and on the Cu film 9). A liner film 10 made of SiC (silicon carbide) is formed on the upper layer by a CVD method, whereby the semiconductor device of the present embodiment shown in FIG. 1 is completed. Although description is omitted in the present embodiment, a multilayer Cu wiring can be formed in a region higher than the upper wiring M2 by performing the same process as the upper wiring M2.

次に、図6および図13を用いて説明したバリア膜の形成工程において、Ti膜3および8の膜厚を10nm未満とし、本実施の形態では5nmとした理由を、図16を用いて説明する。図16はバリアメタルの部材および膜厚の異なる5種類のバリア膜を用いた場合のCu配線の抵抗値を計測した累計度数分布を示すグラフである。図16に示すグラフの横軸はCu配線の抵抗値を示し、図16に示すグラフの縦軸は複数回行った実験における正規分布の分位点を示している。   Next, the reason why the thicknesses of the Ti films 3 and 8 are set to less than 10 nm in the barrier film forming process described with reference to FIGS. 6 and 13 and 5 nm in the present embodiment will be described with reference to FIGS. To do. FIG. 16 is a graph showing the cumulative frequency distribution obtained by measuring the resistance value of the Cu wiring when the barrier metal member and five types of barrier films having different film thicknesses are used. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 16 indicates the resistance value of the Cu wiring, and the vertical axis of the graph shown in FIG. 16 indicates the quantile of the normal distribution in the experiment performed a plurality of times.

図16に示すように、バリア膜を10nmのTa膜および5nmのTaN膜により構成するTa/TaN=10/5nmの抵抗値に対し、バリア膜を5nmのTi膜および5nmのTaN膜により構成するTi/TaN=5/5nmの抵抗値は殆ど差がない。しかし、Ta/TaN=10/5nmの抵抗値に対し、Ti/TaN=10/5nmの抵抗値は顕著に抵抗値が上昇していることが分かる。これは、Ti(チタン)がCu(銅)と合金を形成しやすく、Ti/Cuの合金は純粋なCu(銅)に比べて抵抗値が上がるためである。すなわち、Ti/TaN=10/5nmでは、Cu膜と反応して合金を形成するTi(チタン)の量が多いため、Ti/TaN=5/5nmよりも抵抗値が高くなっている。このことから、Cu膜の界面のTi膜の膜厚を10nmよりも薄くすることで、合金化による実質的な抵抗の上昇が配線抵抗に与える影響を無視できる程度に抑えることができることが分かる。よって、本実施の形態では配線抵抗を下げるためTi膜3および8(図1参照)の膜厚を10nm未満とし、好ましくは5nmとしている。   As shown in FIG. 16, the barrier film is composed of a 5 nm Ti film and a 5 nm TaN film for a resistance value of Ta / TaN = 10/5 nm, which is composed of a 10 nm Ta film and a 5 nm TaN film. There is almost no difference in the resistance value of Ti / TaN = 5/5 nm. However, it can be seen that the resistance value of Ti / TaN = 10/5 nm significantly increases as compared with the resistance value of Ta / TaN = 10/5 nm. This is because Ti (titanium) easily forms an alloy with Cu (copper), and the Ti / Cu alloy has a higher resistance value than pure Cu (copper). That is, when Ti / TaN = 10/5 nm, the amount of Ti (titanium) that reacts with the Cu film to form an alloy is large, so that the resistance value is higher than that of Ti / TaN = 5/5 nm. From this, it can be seen that by making the thickness of the Ti film at the interface of the Cu film thinner than 10 nm, the influence of the substantial increase in resistance due to alloying on the wiring resistance can be suppressed to a negligible level. Therefore, in this embodiment, in order to reduce the wiring resistance, the thickness of the Ti films 3 and 8 (see FIG. 1) is set to less than 10 nm, preferably 5 nm.

次に、本実施の形態の半導体装置の効果について説明する。   Next, effects of the semiconductor device of this embodiment will be described.

従来の技術では、特許文献1および2に示されるように、金属の拡散防止機能の高い材料であるTa(タンタル)を含むバリア膜を用いて、Cu配線内のCu(銅)が層間絶縁膜内に拡散することを防ぐ配線構造とすることが一般的である。   In the prior art, as shown in Patent Documents 1 and 2, using a barrier film containing Ta (tantalum), which is a material having a high metal diffusion preventing function, Cu (copper) in Cu wiring is an interlayer insulating film. In general, the wiring structure prevents diffusion into the wiring.

しかし、Ta(タンタル)を主に含むバリア膜はTi(チタン)またはW(タングステン)などの他の金属を主に含むバリア膜に比べて金属拡散防止機能は優れているが、Cu(銅)との濡れ性がTi(チタン)に比べて悪い。このため、配線溝内のTa膜またはTaN膜などのバリア膜の表面にCuシード膜を均一に連続的に形成することが難しく、比較例として図26に示すように、Ta膜8aの表面においてCuシード膜9bが複数の固まりとなるおそれがある。すなわち、Ta膜8aの表面を完全に覆わず、Cuシード膜9bの皮膜率が低くなり、Cuシード膜9bが不連続に形成される。この場合、図27および図28に比較例として示すように、Cu膜9を形成した際に、配線溝G2内およびビアホールV2内に空隙(ボイド)11が形成されやすい。   However, a barrier film mainly containing Ta (tantalum) has a metal diffusion prevention function superior to a barrier film mainly containing other metals such as Ti (titanium) or W (tungsten), but Cu (copper). The wettability is worse than that of Ti (titanium). For this reason, it is difficult to form a Cu seed film uniformly and continuously on the surface of a barrier film such as a Ta film or TaN film in the wiring trench, and as a comparative example, as shown in FIG. 26, on the surface of the Ta film 8a. There is a possibility that the Cu seed film 9b becomes a plurality of masses. That is, the surface of the Ta film 8a is not completely covered, the coating rate of the Cu seed film 9b is lowered, and the Cu seed film 9b is formed discontinuously. In this case, as shown as a comparative example in FIGS. 27 and 28, when the Cu film 9 is formed, voids 11 are easily formed in the wiring groove G2 and the via hole V2.

図1に示すCuシード膜4aおよび9aはCu膜4および9を電界メッキ法によって形成する際の電極となる膜であり、Cu膜4および9の膜厚を均一に形成する働きを有する。これは、電界メッキ法によって形成されるCu膜4および9の膜厚の均一性は、Cu膜4および9の下地の部材の抵抗値によって左右されるためである。従って、図26に示すように、Cuシード膜9bが配線溝G2内およびビアホールV2内のTa膜8aの表面に均一に形成されなければ、Cu膜9を形成する際の電界メッキ工程においてTa膜8aが電極として働いたとしても、Cu膜9の下地にはCuシード膜9bまたはTa膜8aなど抵抗値の異なる部材が存在することになる。このため、図27または図28に示すように、Cu膜9は膜厚が均一に形成されないため、場合によっては空隙(ボイド)11が形成される。   Cu seed films 4a and 9a shown in FIG. 1 are films that serve as electrodes when the Cu films 4 and 9 are formed by electroplating, and have a function of forming the Cu films 4 and 9 uniformly. This is because the film thickness uniformity of the Cu films 4 and 9 formed by the electroplating method depends on the resistance value of the underlying member of the Cu films 4 and 9. Therefore, as shown in FIG. 26, if the Cu seed film 9b is not formed uniformly on the surface of the Ta film 8a in the wiring groove G2 and the via hole V2, a Ta film is formed in the electroplating process when forming the Cu film 9. Even if 8a functions as an electrode, members having different resistance values such as the Cu seed film 9b or the Ta film 8a exist under the Cu film 9. For this reason, as shown in FIG. 27 or FIG. 28, since the Cu film 9 is not formed with a uniform thickness, a void 11 is formed in some cases.

空隙11が形成されると、主にCu膜9からなる配線が途中で途切れたり、ビアホール内で配線が途切れることで上層配線と下層配線とが電気的に接続されなくなるおそれがあり、半導体装置の歩留まりまたは信頼性の低下に繋がる。   When the air gap 11 is formed, there is a possibility that the wiring mainly composed of the Cu film 9 is interrupted in the middle, or the wiring in the via hole is interrupted so that the upper layer wiring and the lower layer wiring are not electrically connected. This leads to a decrease in yield or reliability.

また、Ta(タンタル)はTi(チタン)に比べて材料の価格が高いため、Ta(タンタル)をバリア膜に用いると半導体装置を用いた製品のコストが増大する問題がある。   In addition, since Ta (tantalum) is expensive compared to Ti (titanium), using Ta (tantalum) as a barrier film increases the cost of products using semiconductor devices.

そこで、本発明者らは、配線のバリア膜にTi(チタン)を主に含む金属膜を用いることを検討した。本実施の形態では、図1に示すように、下層配線M1において銅の拡散を防ぐバリア膜として、Ti膜3およびTi膜3の下層のTaN膜2を形成しており、同様に、上層配線M2において銅の拡散を防ぐバリア膜として、Ti膜8およびTi膜8の下層のTaN膜7を形成している。   Therefore, the present inventors have examined the use of a metal film mainly containing Ti (titanium) as a barrier film for wiring. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the Ti film 3 and the TaN film 2 under the Ti film 3 are formed as a barrier film for preventing the diffusion of copper in the lower layer wiring M1. A Ti film 8 and a TaN film 7 under the Ti film 8 are formed as a barrier film for preventing copper diffusion in M2.

Ti(チタン)を含むバリア膜はTa(タンタル)またはTa化合物を含むバリア膜に比べ、銅との濡れ性が良い特徴がある。すなわち、Ti(チタン)を含むバリア膜であるTi膜8の表面にCuシード膜9aをPVD法により形成した場合に、Cuシード膜9aが複数の固まりとなることはなく均一に延びるため、Cuシード膜9aがTi膜8の表面を露出することなく覆う。Cu膜9は電界メッキ法によりCuシード膜9a上に均一な膜厚で形成されるため、図26〜図28に示した比較例とは異なり、配線溝G2内およびビアホールV2内に空隙11が形成されることを防ぐことができる。   A barrier film containing Ti (titanium) is characterized by better wettability with copper than a barrier film containing Ta (tantalum) or a Ta compound. That is, when the Cu seed film 9a is formed on the surface of the Ti film 8 which is a barrier film containing Ti (titanium) by the PVD method, the Cu seed film 9a does not become a plurality of masses and extends uniformly. The seed film 9a covers the surface of the Ti film 8 without exposing it. Since the Cu film 9 is formed with a uniform film thickness on the Cu seed film 9a by electroplating, unlike the comparative example shown in FIGS. 26 to 28, the air gap 11 is formed in the wiring groove G2 and the via hole V2. It can be prevented from being formed.

また、Ti(チタン)はTa(タンタル)よりも安価な材料であるため、Ti(チタン)を含むバリア膜を用いることにより、図25に示すようなTa(タンタル)およびTaN(窒化タンタル)をバリア膜として用いた場合に比べて半導体装置を用いた製品のコストを低減することができる。   Since Ti (titanium) is a cheaper material than Ta (tantalum), Ta (tantalum) and TaN (tantalum nitride) as shown in FIG. 25 can be obtained by using a barrier film containing Ti (titanium). The cost of a product using a semiconductor device can be reduced as compared with the case where the film is used as a barrier film.

なお、Ti(チタン)はTa(タンタル)に比べて金属の拡散防止機能が低い材料であるが、図1に示すように、Ti膜3および8の下層にTaN膜2および7を形成することにより、拡散防止機能が低下することを防いでいる。   Ti (titanium) is a material having a lower metal diffusion preventing function than Ta (tantalum). However, as shown in FIG. 1, TaN films 2 and 7 are formed under the Ti films 3 and 8. This prevents the diffusion prevention function from being lowered.

以上に述べたように、本実施の形態の半導体装置では、銅を主に含むダマシン配線のバリア膜にTi(チタン)を主に含む10nm未満の金属膜を用いることにより、配線抵抗を上昇させずに、配線内における空隙の発生を防ぎ、半導体装置の歩留まりおよび信頼性を向上させ、また、半導体装置を用いた製品のコストを低減することを可能としている。   As described above, in the semiconductor device of this embodiment, the wiring resistance is increased by using a metal film of less than 10 nm mainly containing Ti (titanium) for the barrier film of the damascene wiring mainly containing copper. Therefore, it is possible to prevent the generation of voids in the wiring, improve the yield and reliability of the semiconductor device, and reduce the cost of products using the semiconductor device.

(実施の形態2)
前記実施の形態では、Cu配線のバリア膜として、Cu膜との界面にTi(チタン)を主に含む金属膜を用い、Ti膜の下層に他のバリア膜を形成する半導体装置について説明した。本実施の形態では、原子数がTi(チタン)よりもN(窒素)の方が多いTiN(窒化チタン)膜をバリア膜に用いる半導体装置について図16〜図18を用いて説明する。図17は本実施の形態の半導体装置において、MOSFETおよびダマシン配線を含む領域を示す要部断面図である。
(Embodiment 2)
In the above-described embodiment, the semiconductor device has been described in which a metal film mainly containing Ti (titanium) is used as the barrier film for the Cu wiring at the interface with the Cu film, and another barrier film is formed under the Ti film. In this embodiment mode, a semiconductor device using a TiN x (titanium nitride) film whose number of atoms is more N (nitrogen) than Ti (titanium) as a barrier film will be described with reference to FIGS. FIG. 17 is a fragmentary cross-sectional view showing a region including MOSFET and damascene wiring in the semiconductor device of the present embodiment.

図17に示すように、本実施の形態の半導体装置は前記実施の形態1における半導体装置とほぼ同様の構造を有しており、前記実施の形態1における半導体装置とほぼ同様の製造工程で製造することができる。本実施の形態の半導体装置は、前記実施の形態1において図1に示したバリア膜であるTaN膜2およびTi膜3に代わって、金属拡散防止機能を有するTiN膜12が形成され、TaN膜7およびTi膜8に代わって、金属拡散防止機能を有するTiN膜13が形成されている点で前記実施の形態1における半導体装置と異なる。 As shown in FIG. 17, the semiconductor device according to the present embodiment has substantially the same structure as that of the semiconductor device according to the first embodiment, and is manufactured in substantially the same manufacturing process as the semiconductor device according to the first embodiment. can do. In the semiconductor device of the present embodiment, a TiN X film 12 having a metal diffusion preventing function is formed in place of the TaN film 2 and the Ti film 3 which are the barrier films shown in FIG. Instead of the film 7 and the Ti film 8, a TiN X film 13 having a metal diffusion preventing function is formed, which is different from the semiconductor device in the first embodiment.

すなわち、本実施の形態の半導体装置は、半導体基板SB上に形成されたMOSFETQnを有し、MOSFETQnを覆うように形成された絶縁膜If上の第1層間絶縁膜1および第2層間絶縁膜6のそれぞれに配線溝G1およびG2が形成されている。第1層間絶縁膜1と第1層間絶縁膜1の下層のストッパ絶縁膜Sfに形成された配線溝G1内の側壁および底部には膜厚が例えば10nmのTiN膜12のバリア膜が形成されており、配線溝G1内には、TiN膜12を介してCuシード膜4aが形成されている。配線溝G1内はTiN膜12およびCuシード膜4aを介してCu膜4が埋め込まれており、Cu膜4、Cuシード膜4aおよびTiN膜12によって下層配線M1が構成されている。 That is, the semiconductor device of the present embodiment has a MOSFET Qn formed on the semiconductor substrate SB, and the first interlayer insulating film 1 and the second interlayer insulating film 6 on the insulating film If formed so as to cover the MOSFET Qn. Wiring grooves G1 and G2 are formed in each of these. A barrier film of a TiN X film 12 having a film thickness of, for example, 10 nm is formed on the side wall and the bottom of the wiring groove G1 formed in the first interlayer insulating film 1 and the stopper insulating film Sf below the first interlayer insulating film 1. In the wiring groove G1, a Cu seed film 4a is formed via a TiN X film 12. The wiring groove G1 is filled with a Cu film 4 via a TiN X film 12 and a Cu seed film 4a, and the lower layer wiring M1 is constituted by the Cu film 4, the Cu seed film 4a and the TiN X film 12.

また、第1層間絶縁膜1および下層配線M1上にライナー膜5を介して第2層間絶縁膜6が配置され、第2層間絶縁膜6には配線溝G2と、配線溝G2の底部から第2層間絶縁膜6およびライナー膜5を貫いて下層配線M1の上面(Cu膜4の上面)に達するビアホールV2とが形成されている。配線溝G2内およびビアホールV2内には、配線溝G1内の下層配線M1と同様に、膜厚が例えば10nmのTiN膜13およびCuシード膜9aを介してCu膜9が埋め込まれており、Cu膜9、Cuシード膜9aおよびTiN膜13によって上層配線M2が構成されている。 A second interlayer insulating film 6 is disposed on the first interlayer insulating film 1 and the lower layer wiring M1 via a liner film 5. The second interlayer insulating film 6 includes a wiring groove G2 and a second groove from the bottom of the wiring groove G2. A via hole V2 that penetrates through the two interlayer insulating film 6 and the liner film 5 and reaches the upper surface of the lower wiring M1 (the upper surface of the Cu film 4) is formed. In the wiring groove G2 and the via hole V2, the Cu film 9 is embedded via the TiN X film 13 and the Cu seed film 9a having a film thickness of, for example, 10 nm, similarly to the lower layer wiring M1 in the wiring groove G1. The upper layer wiring M2 is constituted by the Cu film 9, the Cu seed film 9a, and the TiN X film 13.

ここで、TiN膜12および13は金属拡散防止機能を有する導電性の金属膜であり、それぞれの膜厚は10nmである。これは、図16のグラフに示すように、TiN=10nmのバリア膜を有する配線の配線抵抗はTa/TaN=10/5nmのバリア膜を有する配線の配線抵抗とほぼ変わらないためであり、TiN膜12および13のそれぞれの膜厚を10nm以下にすることで、Ta/TaN=10/5nmのバリア膜に比べて配線抵抗が上昇することを防ぐことができる。 Here, the TiN X films 12 and 13 are conductive metal films having a metal diffusion preventing function, and each film thickness is 10 nm. This is because, as shown in the graph of FIG. 16, the wiring resistance of the wiring having the barrier film of TiN = 10 nm is almost the same as the wiring resistance of the wiring having the barrier film of Ta / TaN = 10/5 nm. By setting the film thickness of each of the X films 12 and 13 to 10 nm or less, it is possible to prevent the wiring resistance from increasing as compared with a barrier film of Ta / TaN = 10/5 nm.

本実施の形態の半導体装置の形成方法は、前記実施の形態1のTaN膜2およびTi膜3の形成工程(図6参照)においてTaN膜2およびTi膜3の代わりにTiN膜12を形成し、TaN膜7およびTi膜8の形成工程(図13参照)においてTaN膜7およびTi膜8の代わりにTiN膜13を形成する工程以外は前記実施の形態1の半導体装置の製造方法と同様であるので、詳しい説明は省略する。 In the method of forming the semiconductor device according to the present embodiment, the TiN X film 12 is formed instead of the TaN film 2 and the Ti film 3 in the process of forming the TaN film 2 and the Ti film 3 of the first embodiment (see FIG. 6). The method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment except for the step of forming the TiN X film 13 instead of the TaN film 7 and the Ti film 8 in the step of forming the TaN film 7 and the Ti film 8 (see FIG. 13). Since it is the same, detailed description is abbreviate | omitted.

つまり、前記実施の形態1において図6を用いて説明した工程では、半導体基板SB(図示しない)の主面上(すなわち配線溝G1の底部および側壁上を含む第1層間絶縁膜1上)にTiN(窒化チタン)からなるバリア導体膜であるTiN膜12をPVD法により形成する。続いて、PVD法によりTiN膜12上にCu(銅)からなるCuシード膜4aを形成し、さらに電解メッキ法を用いてCuシード膜4a上にCu膜4を形成することにより、TiN膜12、Cuシード膜4aおよびCu膜4によって配線溝G1の内部を埋め込む。その後、N(窒素)などの不活性ガスの雰囲気において製造工程中の半導体装置を熱処理することでCuシード膜4aおよびCu膜4を一体化させ、また、Cuの結晶粒径を成長させて大きくする。 That is, in the process described with reference to FIG. 6 in the first embodiment, on the main surface of the semiconductor substrate SB (not shown) (that is, on the first interlayer insulating film 1 including the bottom and side walls of the wiring groove G1). the TiN X film 12 is a barrier conductive film made of TiN X (titanium nitride) is formed by a PVD method. Subsequently, by TiN X film 12 of Cu seed film 4a made of Cu (copper) is formed on, further forming a Cu film 4 on Cu seed film 4a by using an electrolytic plating method by a PVD method, TiN X The wiring groove G1 is filled with the film 12, the Cu seed film 4a, and the Cu film 4. Thereafter, the Cu seed film 4a and the Cu film 4 are integrated by heat-treating the semiconductor device in the manufacturing process in an atmosphere of an inert gas such as N 2 (nitrogen), and the crystal grain size of Cu is grown. Enlarge.

同様に、前記実施の形態1において図13を用いて説明した工程では、半導体基板SB(図示しない)の主面上(すなわち配線溝G2の底部および側壁上を含む第2層間絶縁膜6上並びにビアホールV2の底部および側壁上)にTiN(窒化チタン)からなるバリア導体膜であるTiN膜13をPVD法により形成する。続いて、PVD法によりTiN膜13上にCuシード膜9aを形成し、さらに電解メッキ法を用いてCuシード膜9a上にCu膜9を形成することにより、TiN膜13、Cuシード膜9aおよびCu膜9によって配線溝G2およびビアホールV2の内部を埋め込む。その後、N(窒素)などの不活性ガスの雰囲気において製造工程中の半導体装置を熱処理することでCuシード膜9aおよびCu膜9を一体化させ、また、銅の結晶粒径を成長させて大きくする。 Similarly, in the step described with reference to FIG. 13 in the first embodiment, on the main surface of the semiconductor substrate SB (not shown) (that is, on the second interlayer insulating film 6 including the bottom and side walls of the wiring groove G2, and A TiN X film 13 which is a barrier conductor film made of TiN X (titanium nitride) is formed by PVD on the bottom and side walls of the via hole V2. Subsequently, the Cu seed film 9a is formed on the TiN X film 13 by the PVD method, and further the Cu film 9 is formed on the Cu seed film 9a by the electrolytic plating method, whereby the TiN X film 13 and the Cu seed film are formed. The wiring trench G2 and the via hole V2 are filled with 9a and the Cu film 9. Thereafter, the Cu seed film 9a and the Cu film 9 are integrated by heat-treating the semiconductor device in the manufacturing process in an atmosphere of an inert gas such as N 2 (nitrogen), and the crystal grain size of copper is grown. Enlarge.

上記の工程以外は、前記実施の形態1における半導体装置の製造工程と同様の工程を行うことで、図17に示す本実施の形態の半導体装置が完成する。   The semiconductor device of the present embodiment shown in FIG. 17 is completed by performing the same steps as the manufacturing steps of the semiconductor device in the first embodiment except for the above steps.

ここで、TiN膜12および13を構成するTiN(窒化チタン)は、原子数がTi(チタン)よりもN(窒素)の方が多い。すなわち、TiN(窒化チタン)内の一つのTi(チタン)の原子に対するN(窒素)の原子数を表わすXは1未満(X<1)であり、例えばX=0.5とする。つまり、ここではTi(チタン)とN(窒素)の原子数の比はTi:N=2:1となっている。 Here, TiN X (titanium nitride) constituting the TiN X films 12 and 13 has more N (nitrogen) atoms than Ti (titanium). That is, X representing the number of N (nitrogen) atoms with respect to one Ti (titanium) atom in TiN X (titanium nitride) is less than 1 (X <1), for example, X = 0.5. That is, here, the ratio of the number of atoms of Ti (titanium) and N (nitrogen) is Ti: N = 2: 1.

上記のようにバリア膜の材料にTiN(X<1)を用いる理由を、図18を用いて説明する。図18は、Ti(チタン)とN(窒素)の原子数の比が1対1であるTiN(X=1)をバリア材料として用いた場合と、TiN(X=0.5)をバリア材料として用いた場合とにおいて、一定の距離(例えば70nm)を保って配置された2本の金属配線同士の間における配線間耐圧を示したグラフである。図18に示すグラフの横軸は、配線間の電位差を上昇させた場合に電流がショート(短絡)した時の配線間の電位差を示し、図18に示すグラフの縦軸は、複数回行った配線間耐圧の実験における正規分布の分位点を示している。図18に示す白丸はTiN(X=1)をバリア膜として用いたCu配線の配線間耐圧を示しており、黒丸はTiN(X=0.5)をバリア膜として用いたCu配線の配線間耐圧を示している。 The reason why TiN X (X <1) is used as the material of the barrier film as described above will be described with reference to FIG. FIG. 18 shows the case where TiN X (X = 1), in which the ratio of the number of atoms of Ti (titanium) and N (nitrogen) is 1: 1, and the case where TiN X (X = 0.5) is used. It is the graph which showed the withstand voltage between wiring between the two metal wirings arrange | positioned maintaining a fixed distance (for example, 70 nm) when used as a barrier material. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 18 indicates the potential difference between the wirings when the current is short-circuited when the potential difference between the wirings is increased. The vertical axis of the graph shown in FIG. The quantile of the normal distribution in the inter-wiring breakdown voltage experiment is shown. The white circles shown in FIG. 18 indicate the withstand voltage between Cu wirings using TiN X (X = 1) as the barrier film, and the black circles indicate the Cu wiring using TiN X (X = 0.5) as the barrier film. The withstand voltage between wires is shown.

図18に示すように、TiN(X=1)をバリア膜として用いたCu配線は、TiN(X=0.5)をバリア膜として用いたCu配線の配線間耐圧よりも低い電位差で配線間がショートしている。すなわち、TiN(X=0.5)をバリア膜として用いたCu配線の配線間耐圧は約50Vの値を示しているが、TiN(X=1)をバリア膜として用いたCu配線は、17V〜50Vの範囲にばらついた配線間耐圧の値を示している。このことから、TiN膜内におけるN(窒素)の比率が大きくなるほど、TiN膜をバリア膜として用いたCu配線の配線間耐圧が下がることがわかる。 As shown in FIG. 18, the Cu wiring using TiN X (X = 1) as a barrier film has a potential difference lower than the inter-layer breakdown voltage of the Cu wiring using TiN X (X = 0.5) as a barrier film. The wiring is shorted. That is, the inter-wiring voltage of Cu wiring using TiN X (X = 0.5) as a barrier film shows a value of about 50 V, but Cu wiring using TiN X (X = 1) as a barrier film is , The withstand voltage value between the wirings in the range of 17V to 50V. Therefore, the larger the ratio of N (nitrogen) in the TiN X film, TiN X film it can be seen that the interconnection between the breakdown voltage of the Cu wiring is reduced used as a barrier film.

また、図18に示すように、TiN(X=1)をバリア膜として用いたCu配線は横軸方向のばらつきが大きく、配線間耐圧の信頼性が低い。これに対し、TiN(X=0.5)をバリア膜として用いたCu配線の配線間耐圧は横軸方向のばらつきが少なく、ほぼ縦軸に沿う方向に正規分位点が分布していることから、配線間耐圧の信頼性が高いことがわかる。 Also, as shown in FIG. 18, Cu wiring using TiN X (X = 1) as a barrier film has a large variation in the horizontal axis direction, and the reliability of breakdown voltage between wirings is low. On the other hand, the inter-wire breakdown voltage of Cu wiring using TiN X (X = 0.5) as a barrier film has little variation in the horizontal axis direction, and normal quantiles are distributed in a direction substantially along the vertical axis. This shows that the reliability of the withstand voltage between wirings is high.

従って、バリア膜に用いるTiN(窒化チタン)内のN(窒素)の原子数Xは、X<1ならばほぼ問題ない配線間耐圧および信頼性を示すため、本実施の形態ではX<1とし、好ましくはX=0.5とする。すなわち、本実施の形態におけるバリア膜を構成する窒化チタン膜内のTi(チタン)とN(窒素)の組成比はTi>Nであり、特に、Ti=1としたときにN=0.5であることが好ましい。 Therefore, the number X of N (nitrogen) atoms in TiN X (titanium nitride) used for the barrier film indicates a wiring breakdown voltage and reliability that are almost no problem if X <1, and in this embodiment, X <1 And preferably X = 0.5. That is, the composition ratio of Ti (titanium) and N (nitrogen) in the titanium nitride film constituting the barrier film in this embodiment is Ti> N, and particularly when Ti = 1, N = 0.5. It is preferable that

上記のように、TiN(窒化チタン)をバリア膜に用いた場合、図25に示すような、Ta(タンタル)およびTaN(窒化タンタル)をバリア膜として形成した場合と同等の金属拡散防止機能を有し、銅と濡れ性および密着性の良いバリア膜を形成することができる。これは、Ti(チタン)にN(窒素)を化合させることにより、バリア膜内において他の元素(例えばCu(銅))と合金化しやすいTi(チタン)を減少させることができるためである。 As described above, when TiN X (titanium nitride) is used for the barrier film, the metal diffusion preventing function equivalent to the case where Ta (tantalum) and TaN (tantalum nitride) are formed as the barrier film as shown in FIG. It is possible to form a barrier film having good wettability and adhesion with copper. This is because by combining N (nitrogen) with Ti (titanium), Ti (titanium) that is easily alloyed with other elements (for example, Cu (copper)) can be reduced in the barrier film.

すなわち、N(窒素)がTi(チタン)に化合しているTiN(窒化チタン)膜は、純粋なTi膜に比べて銅と合金化しにくい。通常、Ti(チタン)とCu(銅)は合金化し易く、銅と合金化したチタン膜は抵抗値が上がる。Ta(タンタル)よりも拡散防止機能の低いTi膜に十分な拡散防止機能を持たせるにはTi膜の膜厚を厚くする必要があるが、銅と合金化し易いTi膜は膜厚が厚すぎると抵抗値が大幅に上昇するため、バリア膜として使用することができなくなる。従って、純粋なTi膜をバリア膜として用いる場合、その膜厚および拡散防止機能に限界があった。 That is, a TiN x (titanium nitride) film in which N (nitrogen) is combined with Ti (titanium) is less likely to be alloyed with copper than a pure Ti film. Usually, Ti (titanium) and Cu (copper) are easily alloyed, and a titanium film alloyed with copper has an increased resistance value. Although it is necessary to increase the thickness of the Ti film in order to provide a sufficient diffusion preventing function to the Ti film having a lower diffusion preventing function than Ta (tantalum), the Ti film that is easily alloyed with copper is too thick. Since the resistance value is significantly increased, it cannot be used as a barrier film. Therefore, when a pure Ti film is used as a barrier film, its film thickness and diffusion preventing function are limited.

これに対し、本実施の形態では、N(窒素)が化合していることで銅と合金化しにくくなったTiN膜をバリア膜に用いるため、TiN膜の膜厚を厚くしてもTiN膜の抵抗値は殆ど上昇しない。従って、TiN膜の膜厚を厚くすることで十分な拡散防止機能を得ることを可能としている。本実施の形態では、図17に示すTiN膜12および13のそれぞれの膜厚を10nmとしたが、拡散防止機能をより高めるためにTiN膜12および13のそれぞれの膜厚を10nmよりも厚い膜厚としても良い。 On the other hand, in this embodiment, since a TiN X film that is difficult to be alloyed with copper due to the combination of N (nitrogen) is used as a barrier film, even if the thickness of the TiN X film is increased, TiN X is used. The resistance value of the X film hardly increases. Therefore, it is possible to obtain a sufficient diffusion preventing function by increasing the thickness of the TiN X film. In the present embodiment, the thickness of each of the TiN X films 12 and 13 shown in FIG. 17 is set to 10 nm. However, in order to further improve the diffusion prevention function, the thickness of each of the TiN X films 12 and 13 is set to be more than 10 nm. A thick film may be used.

なお、上記の理由から、一つのTi(チタン)原子に対するN(窒素)の原子数を示すXの値は、0.5未満の更に小さい値でも良いが、0よりも大きい値でなければいけない。すなわち、窒素の原子数が0であればバリア膜は純粋なTi膜となるため、銅との合金化によりバリア膜の抵抗値が大幅に上昇し、バリア膜として使用する際に問題が生じる。従って、X>0である必要がある。   For the above reason, the value of X indicating the number of N (nitrogen) atoms for one Ti (titanium) atom may be a smaller value less than 0.5, but it must be a value greater than 0. . That is, if the number of nitrogen atoms is 0, the barrier film becomes a pure Ti film, so that the resistance value of the barrier film greatly increases due to alloying with copper, which causes a problem when used as a barrier film. Therefore, it is necessary that X> 0.

本実施の形態によれば、銅との濡れ性の良いTi(チタン)を含むTiN膜をバリア膜に用いることで、図17に示すCu膜4および9の埋め込み性を向上させ、歩留まりを向上させ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。また、Ta(タンタル)よりも安価な材料であるTi(チタン)を用いたバリア膜を使用することで、半導体装置を用いた製品のコストを低減することができる。 According to the present embodiment, by using a TiN X film containing Ti (titanium) having good wettability with copper as a barrier film, the embeddability of the Cu films 4 and 9 shown in FIG. 17 is improved, and the yield is improved. The reliability of the semiconductor device can be improved. Further, by using a barrier film using Ti (titanium) which is a material cheaper than Ta (tantalum), the cost of a product using a semiconductor device can be reduced.

(実施の形態3)
前記実施の形態1における半導体装置ではCu配線のバリア膜としてTi膜およびTaN膜を用いる技術について説明した。これに対し、本実施の形態では、バリア膜を形成する際にTi膜(またはTi合金膜)のみを形成し、その後にTi膜内の下層に形成される酸化チタン膜と、前記Ti膜とによる二層構造のバリア膜を用いた半導体装置について、図19〜図24を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In the semiconductor device according to the first embodiment, the technique using the Ti film and the TaN film as the barrier film for the Cu wiring has been described. On the other hand, in this embodiment, when forming the barrier film, only the Ti film (or Ti alloy film) is formed, and then the titanium oxide film formed in the lower layer in the Ti film, and the Ti film A semiconductor device using a barrier film having a two-layer structure will be described with reference to FIGS.

図19に示すように、本実施の形態の半導体装置は前記実施の形態1における半導体装置とほぼ同様の構造を有しており、前記実施の形態1における半導体装置とほぼ同様の製造工程で製造することができる。本実施の形態の半導体装置は、前記実施の形態1において図1に示したバリア膜であるTaN膜2および7に代わって、金属拡散防止機能を有する酸化Ti膜14および16がそれぞれ形成され、Ti膜3および8に代わって、金属拡散防止機能を有するTi膜15および17が形成されている点で前記実施の形態1における半導体装置と異なる。   As shown in FIG. 19, the semiconductor device according to the present embodiment has substantially the same structure as that of the semiconductor device according to the first embodiment, and is manufactured in substantially the same manufacturing process as the semiconductor device according to the first embodiment. can do. In the semiconductor device of the present embodiment, Ti oxide films 14 and 16 having a metal diffusion preventing function are formed in place of TaN films 2 and 7 which are the barrier films shown in FIG. Instead of the Ti films 3 and 8, Ti films 15 and 17 having a metal diffusion preventing function are formed, which is different from the semiconductor device in the first embodiment.

Ti膜15および17並びに酸化Ti膜14および16は導電性を有するバリア膜であり、酸化Ti膜14および16は具体的にはTiO膜またはTiSiからなる反応層である。なお、前記実施の形態2において説明したTiN膜12(図17参照)のN(窒素)の原子数Xと、本実施の形態のTiO膜のO(酸素)の原子数Xと、TiSi膜のSi(シリコン)の原子数Xとは、それぞれ同一の値を示すものではない。 The Ti films 15 and 17 and the Ti oxide films 14 and 16 are conductive barrier films, and the Ti oxide films 14 and 16 are specifically reaction layers made of TiO X film or TiSi X O Y. The number of N (nitrogen) atoms in the TiN X film 12 (see FIG. 17) described in the second embodiment, the number of O (oxygen) atoms in the TiO X film of the present embodiment, and TiSi The number X of Si (silicon) atoms in the X O Y film does not indicate the same value.

ここで、本実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する。図19に示す半導体装置を製造するには、まず前記実施の形態1で図5を用いて説明したように、絶縁膜If上のストッパ絶縁膜Sfおよび第1層間絶縁膜1に配線溝G1を形成した後、図20に示すように、PVD法により第1層間絶縁膜1上、配線溝G1の内壁および底面にTi膜14aを形成(堆積)する。Ti膜14aの膜厚は、例えば10nmとする。   Here, a manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment will be described. To manufacture the semiconductor device shown in FIG. 19, first, as described with reference to FIG. 5 in the first embodiment, the wiring groove G1 is formed in the stopper insulating film Sf and the first interlayer insulating film 1 on the insulating film If. After the formation, as shown in FIG. 20, a Ti film 14a is formed (deposited) on the first interlayer insulating film 1 and on the inner wall and bottom surface of the wiring groove G1 by the PVD method. The thickness of the Ti film 14a is, for example, 10 nm.

このとき、Ti膜14aは純粋なTi(チタン)またはその合金からなる膜であるが、PVD法の工程中の熱(例えば450℃程度)により、第1層間絶縁膜1中の水分と反応して酸化される。この場合、図21に示すように、第1層間絶縁膜1との界面を含む第1層間絶縁膜1上、配線溝G1の内壁および底面に酸化Ti膜14が形成され、第1層間絶縁膜1との界面を含む第1層間絶縁膜1上、配線溝G1の内壁および底面には酸化Ti膜14を介してTi膜15が形成される。   At this time, the Ti film 14a is a film made of pure Ti (titanium) or an alloy thereof, but reacts with moisture in the first interlayer insulating film 1 due to heat (for example, about 450 ° C.) during the PVD process. It is oxidized. In this case, as shown in FIG. 21, a Ti oxide film 14 is formed on the first interlayer insulating film 1 including the interface with the first interlayer insulating film 1 and on the inner wall and bottom surface of the wiring groove G1, and the first interlayer insulating film is formed. A Ti film 15 is formed on the first interlayer insulating film 1 including the interface with 1 and on the inner wall and bottom surface of the wiring groove G1 with the Ti oxide film 14 interposed therebetween.

この後の工程は、配線溝G2を形成する工程まで前記実施の形態1と同様に行う。すなわち、図22に示すように、Ti膜15上にCuシード膜4aおよびCu膜4を形成した後、CMP法により第1層間絶縁膜1上のCu膜4、Cuシード膜4a、Ti膜15および酸化Ti膜14を除去し、第1層間絶縁膜1の上面を露出することで、Cu膜4、Cuシード膜4a、Ti膜15および酸化Ti膜14からなる下層配線M1を形成する。続いて、図23に示すように、第1層間絶縁膜1上および下層配線M1上にライナー膜5および第2層間絶縁膜6を形成し、ライナー膜5および第2層間絶縁膜6を貫通してCu膜4の上面を露出するビアホールV2を形成した後、第2層間絶縁膜6の上面に配線溝G2を形成し、図23の構造を得る。   The subsequent steps are performed in the same manner as in the first embodiment up to the step of forming the wiring groove G2. That is, as shown in FIG. 22, after the Cu seed film 4a and the Cu film 4 are formed on the Ti film 15, the Cu film 4, the Cu seed film 4a, and the Ti film 15 on the first interlayer insulating film 1 are formed by CMP. Then, the Ti oxide film 14 is removed, and the upper surface of the first interlayer insulating film 1 is exposed to form a lower layer wiring M1 including the Cu film 4, the Cu seed film 4a, the Ti film 15, and the Ti oxide film 14. Subsequently, as shown in FIG. 23, the liner film 5 and the second interlayer insulating film 6 are formed on the first interlayer insulating film 1 and the lower layer wiring M1, and the liner film 5 and the second interlayer insulating film 6 are penetrated. After forming the via hole V2 exposing the upper surface of the Cu film 4, a wiring groove G2 is formed on the upper surface of the second interlayer insulating film 6 to obtain the structure of FIG.

次に、図20および図21を用いて説明した工程と同様に、PVD法によりTi膜を堆積した後に、前記Ti膜内の下層のTi(チタン)が、PVD法の工程中の熱によって第2層間絶縁膜6中の水分と反応して酸化することにより、図24に示すように、第2層間絶縁膜6上および配線溝G2の内壁および底面に、酸化Ti膜16を介してTi膜17が形成される。   Next, similarly to the process described with reference to FIGS. 20 and 21, after the Ti film is deposited by the PVD method, the lower Ti (titanium) in the Ti film is heated by the heat during the PVD process. By reacting with moisture in the two interlayer insulating film 6 and oxidizing, a Ti film is formed on the second interlayer insulating film 6 and on the inner wall and bottom surface of the wiring trench G2 via the Ti oxide film 16 as shown in FIG. 17 is formed.

この後の工程は、前記実施の形態1と同様に行う。すなわち、Ti膜17上にCuシード膜9aおよびCu膜9を形成した後、CMP法により第2層間絶縁膜6上のCu膜9、Cuシード膜9a、Ti膜17および酸化Ti膜16を除去し、第2層間絶縁膜6の上面を露出することで、Cu膜9、Cuシード膜9a、Ti膜17および酸化Ti膜16からなる上層配線M2を形成する。その後、第2層間絶縁膜6上および上層配線M2上にライナー膜10を形成し、図19に示す半導体装置が完成する。   The subsequent steps are performed in the same manner as in the first embodiment. That is, after forming the Cu seed film 9a and the Cu film 9 on the Ti film 17, the Cu film 9, the Cu seed film 9a, the Ti film 17 and the Ti oxide film 16 on the second interlayer insulating film 6 are removed by CMP. Then, by exposing the upper surface of the second interlayer insulating film 6, the upper wiring M <b> 2 composed of the Cu film 9, the Cu seed film 9 a, the Ti film 17, and the Ti oxide film 16 is formed. Thereafter, the liner film 10 is formed on the second interlayer insulating film 6 and the upper wiring M2, and the semiconductor device shown in FIG. 19 is completed.

本実施の形態では、下層配線M1および上層配線M2のバリア膜を形成する際、Ti膜以外の膜を堆積する工程を有しておらず、堆積したTi膜の底部が酸化することにより、Ti膜とその下層の酸化Ti膜との2層構造のバリア膜を形成している。ここで、図16に示すグラフから、バリア膜としてTi膜を10nm形成した場合(Ti=10nm)と、バリア膜として10nmのTi膜と、その下層の5nmのTaN膜とを積層した場合(Ti/TaN=10/5nm)とを比べると、Ti=10nmよりもTi/TaN=10/5nmの方が配線抵抗が高いことが分かる。   In the present embodiment, when forming the barrier film of the lower layer wiring M1 and the upper layer wiring M2, there is no step of depositing a film other than the Ti film, and the bottom of the deposited Ti film is oxidized, so that Ti A barrier film having a two-layer structure of a film and an underlying Ti oxide film is formed. Here, from the graph shown in FIG. 16, when a Ti film is formed as a barrier film with a thickness of 10 nm (Ti = 10 nm), a Ti film with a thickness of 10 nm as a barrier film and a TaN film with a thickness of 5 nm are laminated (Ti / TaN = 10/5 nm), it can be seen that Ti / TaN = 10/5 nm has a higher wiring resistance than Ti = 10 nm.

Ti/Ta=10/5nmでは、Ta膜上のTi膜の全てがTi膜上に形成されたCuシード膜内およびCu膜内の銅と化合するため、厚さ10nm分のTi(チタン)とCu(銅)との化合物が形成され、バリア膜の抵抗値が大幅に増大する。   When Ti / Ta = 10/5 nm, all of the Ti film on the Ta film combines with the copper in the Cu seed film and the Cu film formed on the Ti film. A compound with Cu (copper) is formed, and the resistance value of the barrier film is greatly increased.

しかし、本実施の形態のように、バリア膜としてTi膜のみを10nm体積したTi=10nmの場合、層間絶縁膜に含まれる水分によって層間絶縁膜との界面のTi膜は酸化され、TiOまたはTiSiからなる反応層が形成される。すなわち、層間絶縁膜とTi膜との反応により、Cuシード膜内およびCu膜内の銅と化合することができるTi(チタン)の量は、上述したTi/Ta=10/5nmに対して少ない。このため、Ti(チタン)とCu(銅)との化合物が形成される量は少なく、配線抵抗の上昇を抑えることができる。 However, as in the present embodiment, when Ti = 10 nm in which only a Ti film is used as a barrier film, the Ti film at the interface with the interlayer insulating film is oxidized by the moisture contained in the interlayer insulating film, and TiO X or A reaction layer made of TiSi X O Y is formed. That is, the amount of Ti (titanium) that can be combined with the copper in the Cu seed film and the Cu film by the reaction between the interlayer insulating film and the Ti film is smaller than that of Ti / Ta = 10/5 nm. . For this reason, the amount of the compound of Ti (titanium) and Cu (copper) formed is small, and an increase in wiring resistance can be suppressed.

本実施の形態では配線抵抗の低いバリア膜を形成することができるため、前記実施の形態1と違い、Ti膜の膜厚を厚くすることができる。本実施の形態では配線溝内に形成するTi膜の膜厚を10nmとしているが、それよりも厚い膜厚としても構わない。Ti(チタン)は金属拡散防止機能においてTa(タンタル)に劣るが、本実施の形態では形成するバリア膜の膜厚を厚くすることにより、バリア膜に必要な拡散防止機能を得ることができる。   In the present embodiment, a barrier film with low wiring resistance can be formed. Therefore, unlike the first embodiment, the thickness of the Ti film can be increased. In this embodiment, the thickness of the Ti film formed in the wiring trench is 10 nm, but it may be thicker than that. Although Ti (titanium) is inferior to Ta (tantalum) in the metal diffusion preventing function, in this embodiment, the diffusion preventing function necessary for the barrier film can be obtained by increasing the thickness of the barrier film to be formed.

なお、層間絶縁膜と接するTi膜が酸化し易いように、本実施の形態では、水分を吸収し易い(吸湿性が高い)層間絶縁膜を形成することが望ましい。ここでは、図19に示す第1層間絶縁膜1および第2層間絶縁膜6を構成する部材は、SiO(二酸化シリコン)よりも吸湿性の高い部材であって、例えばSiOC(炭酸化シリコン)を用いるものとする。SiO(二酸化シリコン)は吸湿性が低いため、SiOからなる層間絶縁膜に接するTi膜には、殆ど酸化Ti膜は形成されず、SiOからなる層間絶縁膜に形成された配線溝内にTi膜を介してCu配線を形成した場合、配線抵抗が大幅に高くなる。SiOCはHO(水)と結びつきやすく、その内部に水分を含みやすい材料であるので、バリア膜として酸化Ti膜を形成するのに適している。 In this embodiment, it is desirable to form an interlayer insulating film that easily absorbs moisture (highly hygroscopic) so that the Ti film in contact with the interlayer insulating film is easily oxidized. Here, the members constituting the first interlayer insulating film 1 and the second interlayer insulating film 6 shown in FIG. 19 are members having higher hygroscopicity than SiO 2 (silicon dioxide), for example, SiOC (silicon carbonate). Shall be used. Since SiO 2 (silicon dioxide) has a low hygroscopicity, the Ti film in contact with the interlayer insulating film made of SiO 2 hardly forms a Ti oxide film, and in the wiring trench formed in the interlayer insulating film made of SiO 2 In the case where Cu wiring is formed through a Ti film, wiring resistance is significantly increased. Since SiOC is a material that easily binds to H 2 O (water) and easily contains moisture therein, it is suitable for forming a Ti oxide film as a barrier film.

なお、図20で配線溝G1内に形成したTi膜14aおよび図24において配線溝G2内に形成したTi膜(図示しない)の部材は、純粋なTi(チタン)からなる膜に限らず、Tiの化合物であっても構わない。例えば、TiN(X<1)のようなTiN膜でも良い。 The members of the Ti film 14a formed in the wiring groove G1 in FIG. 20 and the Ti film (not shown) formed in the wiring groove G2 in FIG. 24 are not limited to films made of pure Ti (titanium). These compounds may be used. For example, a TiN film such as TiN X (X <1) may be used.

本実施の形態では、銅との濡れ性の良いTi(チタン)を含むTi膜をバリア膜に用いることで、図19に示すCu膜4および9の埋め込み性を向上させ、歩留まりを向上させ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。また、Ta(タンタル)よりも安価な材料であるTi(チタン)を用いたバリア膜を使用することで、半導体装置を用いた製品のコストを低減することができる。   In this embodiment, by using a Ti film containing Ti (titanium) with good wettability with copper as a barrier film, the embeddability of the Cu films 4 and 9 shown in FIG. 19 is improved, and the yield is improved. The reliability of the semiconductor device can be improved. Further, by using a barrier film using Ti (titanium) which is a material cheaper than Ta (tantalum), the cost of a product using a semiconductor device can be reduced.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

例えば、前記実施の形態1〜3では、図1、図17および図19に示すように、半導体基板上に形成されたMOSFETQnに所定の電位を供給する配線について説明したが、本発明のダマシン配線はMOSFETの上層配線以外のあらゆる用途の配線に広く適用することができる。   For example, in the first to third embodiments, the wiring for supplying a predetermined potential to the MOSFET Qn formed on the semiconductor substrate has been described as shown in FIG. 1, FIG. 17, and FIG. Can be widely applied to wiring for any purpose other than upper layer wiring of MOSFET.

本発明は、銅配線を有する半導体装置に幅広く利用されるものである。   The present invention is widely used for semiconductor devices having copper wiring.

1 第1層間絶縁膜
2 TaN膜
2a TaN膜
3 Ti膜
3a Ta膜
4 Cu膜
4a Cuシード膜
5 ライナー膜
6 第2層間絶縁膜
7 TaN膜
7a TaN膜
8 Ti膜
8a Ta膜
9 Cu膜
9a Cuシード膜
9b Cuシード膜
10 ライナー膜
11 空隙
12 TiN
13 TiN
14 酸化Ti膜
14a Ti膜
15 Ti膜
16 酸化Ti膜
17 Ti膜
30 ソース・ドレイン領域
31 シリサイド層
32 ゲート電極
33 ゲート絶縁膜
34 サイドウォール
35 ストッパ絶縁膜
BM バリア膜
Ch コンタクトホール
Cp コンタクトプラグ
G1、G2 配線溝
If 絶縁膜
M1 下層配線
M2 上層配線
Qn MOSFET
SB 半導体基板
Sf ストッパ絶縁膜
V2 ビアホール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st interlayer insulation film 2 TaN film 2a TaN film 3 Ti film 3a Ta film 4 Cu film 4a Cu seed film 5 Liner film 6 2nd interlayer insulation film 7 TaN film 7a TaN film 8 Ti film 8a Ta film 9 Cu film 9a Cu seed film 9b Cu seed film 10 Liner film 11 Void 12 TiN X film 13 TiN X film 14 Ti oxide film 14a Ti film 15 Ti film 16 Ti oxide film 17 Ti film 30 Source / drain region 31 Silicide layer 32 Gate electrode 33 Gate Insulating film 34 Side wall 35 Stopper insulating film BM Barrier film Ch Contact hole Cp Contact plug G1, G2 Wiring trench If Insulating film M1 Lower layer wiring M2 Upper layer wiring Qn MOSFET
SB Semiconductor substrate Sf Stopper insulating film V2 Via hole

Claims (17)

半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝内に第1バリア膜を介して形成されたCuを主成分とする金属膜と、
を有し、
前記第1バリア膜は、Taを含む第3バリア膜と、前記第3バリア膜上に前記金属膜と接して形成されたTiを含む第2バリア膜とを有することを特徴とする半導体装置。
An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate;
A wiring groove formed in the interlayer insulating film;
A metal film mainly composed of Cu formed in the wiring trench via the first barrier film;
Have
The first barrier film includes a third barrier film containing Ta, and a second barrier film containing Ti formed on the third barrier film in contact with the metal film.
前記第2バリア膜の膜厚は10nm未満であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the second barrier film is less than 10 nm. 前記第3バリア膜はTaNからなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the third barrier film is made of TaN. 前記配線溝の下部には下層配線が形成され、
前記配線溝の底部には、前記配線溝の底面から前記下層配線に達するビアホールが形成され、
前記ビアホールの内壁および底部には前記第1バリア膜が形成され、前記ビアホール内には前記第1バリア膜を介して形成された前記金属膜が埋め込まれていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
A lower layer wiring is formed below the wiring groove,
At the bottom of the wiring groove, a via hole reaching the lower layer wiring from the bottom surface of the wiring groove is formed,
2. The first barrier film is formed on an inner wall and a bottom portion of the via hole, and the metal film formed through the first barrier film is embedded in the via hole. Semiconductor device.
半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝内にバリア膜を介して形成されたCuを主成分とする金属膜と、
を有し、
前記バリア膜はTiNからなり、前記バリア膜内のTiの原子数は前記バリア膜内のNの原子数より多いことを特徴とする半導体装置。
An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate;
A wiring groove formed in the interlayer insulating film;
A metal film mainly composed of Cu formed in the wiring trench through a barrier film;
Have
The semiconductor device according to claim 1, wherein the barrier film is made of TiN X , and the number of Ti atoms in the barrier film is larger than the number of N atoms in the barrier film.
前記バリア膜は、TiN(ただし、X=0.5)からなることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5, wherein the barrier film is made of TiN X (where X = 0.5). 前記配線溝の下部には下層配線が形成され、
前記配線溝の底部には、前記配線溝の底面から前記下層配線に達するビアホールが形成され、
前記ビアホールの内壁および底部には前記バリア膜が形成され、前記ビアホール内には前記バリア膜を介して形成された前記金属膜が埋め込まれていることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
A lower layer wiring is formed below the wiring groove,
At the bottom of the wiring groove, a via hole reaching the lower layer wiring from the bottom surface of the wiring groove is formed,
6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the barrier film is formed on an inner wall and a bottom portion of the via hole, and the metal film formed through the barrier film is embedded in the via hole.
半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝内にTiまたはTi化合物からなる第1バリア膜を介して形成されたCuを主成分とする金属膜と、
を有し、
前記層間絶縁膜と前記第1バリア膜との界面には、TiSiまたはTiOからなる反応層がさらに介在していることを特徴とする半導体装置。
An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate;
A wiring groove formed in the interlayer insulating film;
A metal film mainly composed of Cu formed in the wiring trench through a first barrier film made of Ti or a Ti compound;
Have
A semiconductor device, wherein a reaction layer made of TiSi X O Y or TiO X is further interposed at an interface between the interlayer insulating film and the first barrier film.
前記層間絶縁膜はSiOCを含むことを特徴とする請求項8記載の半導体装置。   9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the interlayer insulating film contains SiOC. 前記配線溝の下部には下層配線が形成され、
前記配線溝の底部には、前記配線溝の底面から前記下層配線に達するビアホールが形成され、
前記ビアホールの内壁および底部には前記第1バリア膜が形成され、前記ビアホール内には前記第1バリア膜を介して形成された前記金属膜が埋め込まれていることを特徴とする請求項8記載の半導体装置。
A lower layer wiring is formed below the wiring groove,
At the bottom of the wiring groove, a via hole reaching the lower layer wiring from the bottom surface of the wiring groove is formed,
9. The first barrier film is formed on an inner wall and a bottom portion of the via hole, and the metal film formed through the first barrier film is embedded in the via hole. Semiconductor device.
(a)半導体基板を準備する工程と、
(b)前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記層間絶縁膜の上面に配線溝を形成する工程と、
(d)前記配線溝内に第1バリア膜を形成する工程と、
(e)前記第1バリア膜の表面にCuを主成分とするシード膜を形成する工程と、
(f)前記シード膜を電極として電界メッキ法により前記シード膜上にCuを主成分とする金属膜を形成し、前記金属膜によって前記配線溝内を埋め込む工程と、
(g)前記半導体基板の上面を研磨して前記層間絶縁膜の上面を露出させ、前記配線溝内に前記第1バリア膜および前記金属膜を含む金属配線を形成する工程と、
を有し、
前記(d)工程では、前記配線溝内にTaを含む第2バリア膜を形成した後に、前記第2バリア膜上にTiまたはTi化合物からなる第3バリア膜を形成することにより、前記第2バリア膜および前記第3バリア膜を有する前記第1バリア膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(A) preparing a semiconductor substrate;
(B) forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
(C) forming a wiring groove on the upper surface of the interlayer insulating film;
(D) forming a first barrier film in the wiring trench;
(E) forming a seed film containing Cu as a main component on the surface of the first barrier film;
(F) forming a metal film containing Cu as a main component on the seed film by electroplating using the seed film as an electrode, and filling the wiring groove with the metal film;
(G) polishing an upper surface of the semiconductor substrate to expose an upper surface of the interlayer insulating film, and forming a metal wiring including the first barrier film and the metal film in the wiring groove;
Have
In the step (d), after forming a second barrier film containing Ta in the wiring trench, a second barrier film made of Ti or a Ti compound is formed on the second barrier film, whereby the second barrier film is formed. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming the first barrier film having a barrier film and the third barrier film.
前記(d)工程で形成する前記第3バリア膜の膜厚は10nm未満とすることを特徴とする請求項11記載の半導体装置の製造方法。   12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein the thickness of the third barrier film formed in the step (d) is less than 10 nm. 前記第2バリア膜はTaNからなることを特徴とする請求項12記載の半導体装置の製造方法。   13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the second barrier film is made of TaN. (a)前記半導体基板を準備する工程と、
(b)前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記層間絶縁膜の上面に配線溝を形成する工程と、
(d)前記配線溝内にTiNからなるバリア膜を形成する工程と、
(e)前記バリア膜の表面にCuを主成分とするシード膜を形成する工程と、
(f)前記シード膜を電極として電界メッキ法により前記シード膜上にCuを主成分とする金属膜を形成し、前記金属膜によって前記配線溝内を埋め込む工程と、
(g)前記半導体基板の上面を研磨して前記層間絶縁膜の上面を露出させ、前記配線溝内に前記バリア膜および前記金属膜を含む金属配線を形成する工程と、
を有し、
前記バリア膜内のTiの原子数は前記バリア膜内のNの原子数より多いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(A) preparing the semiconductor substrate;
(B) forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
(C) forming a wiring groove on the upper surface of the interlayer insulating film;
(D) forming a barrier film made of TiN X in the wiring trench;
(E) forming a seed film containing Cu as a main component on the surface of the barrier film;
(F) forming a metal film containing Cu as a main component on the seed film by electroplating using the seed film as an electrode, and filling the wiring groove with the metal film;
(G) polishing the upper surface of the semiconductor substrate to expose the upper surface of the interlayer insulating film, and forming a metal wiring including the barrier film and the metal film in the wiring groove;
Have
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the number of Ti atoms in the barrier film is larger than the number of N atoms in the barrier film.
前記バリア膜は、TiN(ただし、X=0.5)からなることを特徴とする請求項14記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 14, wherein the barrier film is made of TiN X (where X = 0.5). (a)半導体基板を準備する工程と、
(b)前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記層間絶縁膜の上面に配線溝を形成する工程と、
(d)前記配線溝内に第1バリア膜を形成する工程と、
(e)前記第1バリア膜の表面にCuを主成分とするシード膜を形成する工程と、
(f)前記シード膜を電極として電界メッキ法により前記シード膜上にCuを主成分とする金属膜を形成し、前記金属膜によって前記配線溝内を埋め込む工程と、
(g)前記半導体基板の上面を研磨して前記層間絶縁膜の上面を露出させ、前記配線溝内に前記第1バリア膜および前記金属膜を含む金属配線を形成する工程と、
を有し、
前記(d)工程では、前記配線溝内上にTiを含む第2バリア膜を形成し、前記第2バリア膜の成膜工程において生じる熱により、前記層間絶縁膜と前記第2バリア膜との界面にTiSiまたはTiOからなる反応層を形成し、前記第2バリア膜と前記反応層とからなる前記第1バリア膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(A) preparing a semiconductor substrate;
(B) forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
(C) forming a wiring groove on the upper surface of the interlayer insulating film;
(D) forming a first barrier film in the wiring trench;
(E) forming a seed film containing Cu as a main component on the surface of the first barrier film;
(F) forming a metal film containing Cu as a main component on the seed film by electroplating using the seed film as an electrode, and filling the wiring groove with the metal film;
(G) polishing an upper surface of the semiconductor substrate to expose an upper surface of the interlayer insulating film, and forming a metal wiring including the first barrier film and the metal film in the wiring groove;
Have
In the step (d), a second barrier film containing Ti is formed in the wiring trench, and the interlayer insulating film and the second barrier film are heated by heat generated in the film forming process of the second barrier film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a reaction layer made of TiSi X O Y or TiO X at an interface, and forming the first barrier film made of the second barrier film and the reaction layer.
前記(b)工程では、SiOCを含む前記層間絶縁膜を形成することを特徴とする請求項16記載の半導体装置の製造方法。   17. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein in the step (b), the interlayer insulating film containing SiOC is formed.
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KR20170065069A (en) * 2015-12-02 2017-06-13 삼성디스플레이 주식회사 Thin film transistor array panel and organic light emitting diode display including the same

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