JP4034227B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Cu配線などの金属配線を有する半導体装置と、その製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造分野では、デバイスの高速化、高集積化にともない、デバイス設計ルールの縮小化が進んできている。デバイスの縮小化にともない、配線サイズと配線間隔も縮小化が進むため、配線抵抗や配線間寄生容量が増加していく傾向にある。配線抵抗や配線間寄生容量が増加すると時定数が大きくなり、信号の伝播速度の低下がデバイスの高速化を図る上で問題となる。
【0003】
そのため、配線抵抗を低減する方法として、配線材料として広く用いられていたAl(アルミニウム)よりも比抵抗の小さいCu(銅)を配線材料として用いた技術および製品が普及してきている。Cuを配線材料として用いる場合、ドライエッチングによるCuの微細加工が困難なことから、従来、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械的研磨)法を用いて形成されるダマシン配線と呼ばれる溝配線が一般的に広く使われている。
【0004】
図34は従来の溝配線の構造を示す断面図である。
【0005】
図34に示すように、溝配線は、半導体基板(不図示)上に形成された下地絶縁膜101上に成膜されたSiO2絶縁膜102の溝部中に、Cuの拡散を防止するためのバリアメタル105が形成され、バリアメタル105により底面と側面とが覆われたCu配線107が形成された構造である。図に示す構造では、Cu配線107上にSiN膜112と、図に示さない上層配線とCu配線107の絶縁性確保のためのSiO2層間絶縁膜110とが順に形成されている。
【0006】
図に示した構造の形成過程において、溝配線形成の後、Cu配線107上にSiO2層間絶縁膜110を形成すると、CuがSiO2と容易に反応してSiO2膜中に拡散してしまうため、Cu拡散防止膜として、プラズマCVD法によるSiN膜112をCu配線107上に50〜150nm程度成膜してから、SiO2層間絶縁膜110を成膜している。
【0007】
ところで、Cuが配線材料として普及してきたことにともない、Cu配線のエレクトロマイグレーション耐性の向上が求められるようになってきているが、そのための方法の1つとして、Cu配線周囲の耐酸化性を高める構造とその方法が文献に開示されている(例えば、特許文献1、非特許文献1参照。)。これらの文献には、Cu配線を有するSi基板を加熱しながらSiH4ガスの雰囲気中にさらして、CuとSiH4ガス中のSi(シリコン)とを反応させ、Cu配線の表面にCuシリサイド層を形成することで、Cu配線のエレクトロマイグレーション耐性の向上を行うことが提案されている。
【0008】
また、Cu配線上にCu拡散防止膜としてSiN膜を成膜する場合は、成膜のための反応ガスとしてSiH4ガスを用いてCuシリサイド層を形成してからSiN膜を成膜することにより、Cu配線のエレクトロマイグレーション(EM)耐性が向上することが知られている。
【0009】
近年では、さらに配線間の寄生容量を低減するため、上記SiN膜112の代わりに、SiN膜112よりも比誘電率が低いSiC膜やSiCN膜を用いることが検討されている。また、近年では、コスト削減のため、および接続孔となるビアの抵抗低減のために、ビアと配線を同時に埋め込み形成するデュアルダマシン構造の配線が検討されている。
【0010】
デュアルダマシン構造の配線を形成するためには、現在、次の三つの方法が知られている。一つ目は、層の異なる配線同士を絶縁するための異層間絶縁膜、および同じ層の配線同士を絶縁するための配線層間絶縁膜を成膜後、まずビアのエッチングをおこない、それから溝配線の加工を行い、ビアと配線を形成するビアファースト法(以下、VF法と称する)である。二つ目は、異層間絶縁膜を成膜後、その上にビアエッチングのマスク絶縁膜を成膜し、これをビアパターンにエッチングしてから配線層間絶縁膜を成膜し、配線溝エッチングの際、ビアエッチング用のマスク絶縁膜を介して、配線溝とビアのエッチングを同時に行うミドルファースト法(以下、MF法と称する)である。そして、三つ目は、異層間絶縁膜および配線層間絶縁膜を成膜後、まず配線溝のエッチングを行い、それからビアの加工を行い、ビアと配線を形成するトレンチファースト法(以下、TF法と称する)である。
【0011】
現在、主にフォトレジスト工程の観点から、微細な配線構造が多い下層配線部ではVF法が用いられ、配線幅およびビア径が比較的大きくなる中、上層配線層ではTF法またはMF法が用いられている。
【0012】
【特許文献1】
特開2000−150517号公報
【非特許文献1】
1995年電子通信情報学会エレクトロニクスソサイエティ大会講演論文集2、講演番号C―418、pp115―116
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
Cu拡散防止膜に上述したSiC膜またはSiCN膜を用いた従来の溝配線構造についての問題点を項目に分けて説明する。
【0014】
1.Cu配線上にCu拡散防止膜としてSiN膜を成膜する場合、CVD法による成膜のための反応ガスとしては、SiH4、NH3、およびN2が一般的に用いられる。そのため、SiN膜を成膜する際、CVD装置における成膜のための処理室内にSiH4、NH3、およびN2ガスを導入し、Cu配線が形成された半導体基板の温度、および処理室内圧力の安定化を行う間、Cu配線上にはSiH4によりCuシリサイド層が形成され、Cu配線のエレクトロマイグレーション耐性が向上することになる。
【0015】
しかし、Cu配線上にCu拡散防止膜としてSiC膜やSiCN膜を成膜する場合、反応ガスとしては有機シラン系ガスであるSiH(CH3)3やSi(CH3)4が広く使われており、SiH4は使用されていない。これらの有機基を含有するSi化合物ガスはSiと有機基の結合エネルギーがSiとHの結合エネルギーよりも大きく、熱分解がSiH4よりも起こりにくい。そのため、Cu配線をSiH(CH3)3またはSi(CH3)4のガス雰囲気中にさらしても、SiH4雰囲気中にさらした場合と比較して、CuとSiとの反応性が低くなる。したがって、Cu配線上にSiC膜やSiCN膜を成膜する場合は、SiN膜を成膜する場合と比較して、成膜のための反応ガスによるCuシリサイド層がCu表面で形成されにくくなる。
【0016】
また、Cu配線の表面にCuシリサイド層が形成されないと、Cu配線とSiC膜またはSiCN膜との密着性が低下して、Cu配線中のCu結晶粒を安定化できず、Cu配線のエレクトロマイグレーション耐性の劣化を招くことになる。さらに、ストレスマイグレーション耐性も劣化し、上層に形成される保護膜の応力などによりCu配線が断線しやすくなる。
【0017】
2.Cuシリサイド層は比抵抗がCuよりも高いため配線抵抗が高くなるという問題がある。また、Cuシリサイド層は銅配線の最表面にのみ形成されるため、さらに上層の配線層との接続孔を開口した際、接続孔のエッチングによりCuシリサイド層が除去されてしまうため、エレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションを向上させるためにはCuシリサイド層を十分に厚く形成する必要がある。これによりさらに配線抵抗が上昇してしまうという問題がある。
【0018】
3.Cu配線をSiH4ガス雰囲気中にさらしてCuシリサイド層を形成する際、Cuの表面が酸化されてCu酸化層が形成されていると、表面のCu酸化層とSiが反応して、Cu、SiおよびOの混合物の異常成長が起こる。この異常成長は、配線抵抗の増大を招くだけでなく、Cu配線上端のCuとバリアメタルの界面付近で多く発生する傾向にあるため、配線間隔が狭い場所では配線同士がショートしてしまう問題が発生する。
【0019】
4.Cuの防食方法として、Cu酸化層とBTA(ベンゾトリアゾール)を反応させることにより、Cu表面にBTA層を形成して酸化の進行を食い止める方法が一般的に知られている。そのため、CMP法によるCu配線形成後、BTAにより防食処理の工程を追加することでCuの酸化を防止できる。しかし、BTA層が形成されたままではCuとSiH4との反応も抑制されてしまうため、BTA層を除去する工程が必要となる。また、BTA層を除去する工程を導入しても、BTA層除去後にCu配線が大気にさらされると、大気中の酸素とCuとが反応してCu配線の表面にCu酸化層が形成され、Cu酸化層が上述の異常成長の原因となる。
【0020】
5.Cu酸化層を除去する方法としてはNH3やH2等の還元性ガスを用いたプラズマ処理が一般的に知られている。しかし、このようなプラズマ処理を用いた場合、Cu表面の酸化層は除去可能であるが、Cuの結晶粒界面に沿って深さ方向に形成された酸化層まで除去することは困難である。また、プラズマ処理の際、Cu配線が加熱されマイグレーションによるヒロックの成長が進むため、Cu配線表面のモホロジーが悪化するという問題が発生する。
【0021】
次に、ダマシン構造を形成する際の問題点について説明するために、VF法によるデュアルダマシン形成方法について簡単に説明する。図35〜図37はVF法を用いたデュアルダマシン形成方法による二層配線の製造工程を示す断面図である。
【0022】
最初に第1の銅配線330を形成後、Cu拡散防止膜SiCN膜311、異層間絶縁膜であるSiO2膜312、エッチングストッパー膜であるSiCN膜313、第2の配線層間絶縁膜であるSiO2膜317を成膜し、先にビア部のフォトレジスト工程を行う(図35(a))。次に、第1の銅配線330上に設けられた拡散防止膜であるSiCN膜311上までエッチングを行い、ビアのフォトレジスト314をO2ドライアッシングおよびウェット剥離などで除去した後(図35(b))、反射防止膜325をビア中に埋め込み、第2溝配線用のフォトレジスト工程を行い(図36(c))、第2溝配線をエッチングする。その後、第2溝配線のフォトレジストをO2ドライアッシングおよびウェット剥離などで除去する(図36(d))。続いて、エッチバックにより第1の銅配線330上のSiCN膜311を除去し、下層配線との接続孔を形成する(図36(e))。そして、窒化タンタル(TaN)上にタンタル(Ta)が形成された積層膜(以下、「Ta/TaN膜」と表記する)、およびCu膜321をビア、および第2溝配線のための溝に同時に埋め込み(図37(f))、CMP法によりSiO2膜317上のTa/TaN膜320およびCu膜321を除去して第2の銅配線332を形成し、SiCN膜322を形成する(図37(g))。
【0023】
6.上述のVF法の場合、図35(b)に示したように、ビアのエッチング工程で、拡散防止膜であるSiCN膜311上までエッチングを行うが、ビアの開口径や開口率およびエッチング選択比の問題などから、すべてのビアにおいて拡散防止膜であるSiCN膜311でビアのエッチングを止めることは非常に困難である。このため、ビアエッチングの際に、拡散防止膜であるSiCN膜311が抜けてしまったビアでは、ビア底の銅配線が、ビアと第2溝配線のエッチングによるO2ドライアッシングおよびウェット剥離液に曝されることになり、その表面が酸化および腐食され、銅の酸化層331を形成し、ビアの歩留まり低下、およびビアEMに代表される信頼性の低下を招くことになる。
【0024】
さらに、第2溝配線のフォトリソグラフィー工程で寸法ズレや位置ズレによるやり直しであるリワークを行った場合、リワークのたびに、ビア底の銅配線がO2ドライアッシング、およびウェット剥離液に曝され、Cu表面の酸化および腐食が進むことになる。
【0025】
ここで、第2溝配線のフォトリソグラフィー工程のリワーク回数とビアチェーン歩留まりの関係について説明する。
【0026】
図38はビアチェーン歩留まりを評価した結果を示すグラフである。なお、評価に使用したビアチェーンは、ビアの不良率を算出するためのものであり、ビアの抵抗値が測定可能な構成である。測定した抵抗値が所定の規格から外れた場合にビアに欠陥があると判断した。
【0027】
図38に示すように、リワーク回数が増えるとビア内の銅表面の酸化および腐食により、ビアチェーン歩留まりが低下する。このことから、フォトリソグラフィー工程のリワークはビアEMに代表される信頼性の低下を招くことになる。この問題は、VF法に限らず、全てのダマシン配線形成方法においてCu配線上層の絶縁膜をエッチングする際に共通して見られる。
【0028】
7.通常、銅配線上に成膜した層間絶縁膜のエッチングを行う場合、フォトリソグラフィー工程においては、フォトレジストを露光する際、下層の銅配線の反射による干渉が問題となるため、銅配線からの反射を抑えるための反射防止膜を成膜してからフォトレジストを塗布している。しかし、デュアルダマシン配線を形成する場合、MF法では、反射防止膜を除去する際に下地の絶縁膜がエッチングダメージを受けるため、ビアエッチングのマスク絶縁膜加工や上層溝配線加工のフォトリソグラフィー工程で反射防止膜を使用できない問題がある。また、TF法では、形成された配線溝の下層の絶縁膜をエッチングする際、反射防止膜が配線溝に埋め込まれていると絶縁膜がエッチングできなくなるため、ビアのフォトリソグラフィー工程で反射防止膜を使用できない問題がある。
【0029】
本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、Cu配線などの金属配線について、金属配線と金属拡散防止膜との密着性が向上し、金属配線のエレクトロマイグレーション耐性向上により金属配線寿命が長く、かつ配線抵抗の上昇が抑制された半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0030】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜の溝部内に、上面が露出する銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する金属配線を形成する工程と、
前記金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記金属配線上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより、金属シリサイド層を含有しないシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記シリコン含有金属配線および前記絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む金属拡散防止膜を形成する工程と、
を有するものである。
【0031】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された第1の絶縁膜の溝部内に、上面が露出する銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第1の金属配線を形成する工程と、
前記第1の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第1の酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記第1の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第1の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第1の金属配線上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第1のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第1のシリコン含有金属配線および前記第1の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第1の金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第1の金属拡散防止膜上に第2の絶縁膜および第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第1の金属配線上面が露出するまで、前記第1の金属拡散防止膜、前記第2の絶縁膜および前記第3の絶縁膜を連通する開孔を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜に、前記開孔につながる第1の溝部を形成する工程と、
前記開孔および前記第1の溝部に金属を埋め込み、前記第1の溝部内に形成される銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第2の金属配線と前記第1の金属配線とを接続するための銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有するビアプラグを形成する工程と、
前記第2の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第2の酸化防止層を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第2の金属配線の上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第2のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第2のシリコン含有金属配線および前記第3の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第2の金属拡散防止膜を形成する工程と、
を有するものである。
【0032】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された第1の絶縁膜の溝部内に、上面が露出する銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第1の金属配線を形成する工程と、
前記第1の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第1の酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記第1の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第1の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第1の金属配線上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第1のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第1のシリコン含有金属配線および前記第1の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第1の金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第1の金属拡散防止膜上に第2の絶縁膜および第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第3の絶縁膜を選択的にエッチングして第1の溝部を形成する工程と、
前記第1の金属配線の上面が露出するまで、前記第1の金属拡散防止膜、前記第2の絶縁膜および前記第3の絶縁膜を連通し、かつ前記第1の溝部につながる開孔を形成する工程と、
前記第1の溝部および前記開孔に金属を埋め込み、前記第1の溝部内に形成される銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第2の金属配線と前記第1の金属配線とを接続するための銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有するビアプラグを形成する工程と、
前記第2の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第2の酸化防止層を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第2の金属配線の上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第2のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第2のシリコン含有金属配線および前記第3の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第2の金属拡散防止膜を形成する工程と、
を有するものである。
【0033】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された第1の絶縁膜の溝部内に、上面が露出する銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第1の金属配線を形成する工程と、
前記第1の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第1の酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記第1の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第1の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第1の金属配線上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第1のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第1のシリコン含有金属配線および前記第1の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第1の金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第1の金属拡散防止膜上に第2の絶縁膜およびエッチングストッパー膜を順に形成する工程と、
前記第2の絶縁膜が露出するまで前記エッチングストッパー膜を選択的にエッチングして第1の開孔を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜および前記エッチングストッパー膜の露出面上に第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜に、前記第1の開孔と幅が同等以上で、前記第1の開孔につながる第1の溝部を形成する工程と、
前記第1の開孔を含む位置に、前記第1の金属配線が露出するまで、前記第1の金属拡散防止膜、前記第2の絶縁膜および前記第3の絶縁膜を連通する第2の開孔を形成する工程と、
前記第1の溝部、前記第1の開孔および前記第2の開孔に金属を埋め込み、前記第1の溝部内に形成される銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第2の金属配線と前記第1の金属配線とを接続するための銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有するビアプラグを形成する工程と、
前記第2の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第2の酸化防止層を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第2の金属配線の上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第2のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第2のシリコン含有金属配線および前記第3の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第2の金属拡散防止膜を形成する工程と、
を有するものである。
【0034】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された第1の絶縁膜の溝部内に、上面が露出する銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第1の金属配線を形成する工程と、
前記第1の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第1の酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記第1の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第1の金属配線上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第1のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第1の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第1のシリコン含有金属配線および前記第1の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第1の金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第1の金属拡散防止膜上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の金属配線が露出するまで前記第1の金属拡散防止膜および前記第2の絶縁膜を連通する開孔を形成する工程と、
前記開孔に金属を埋め込んで銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有するビアプラグを形成する工程と、
前記ビアプラグの上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第2の酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記第2の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記ビアプラグの上面を酸素に曝すことなく、前記ビアプラグ上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより、金属シリサイド層を含有しないシリコン含有ビアプラグを形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記ビアプラグおよび前記第2の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第2の金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第2の金属拡散防止膜上に第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜が露出するまで前記第3の絶縁膜を選択的にエッチングして、前記ビアプラグとつながる第1の溝部を形成する工程と、
前記第1の溝部に金属を埋め込んで銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第2の金属配線を形成する工程と、
前記第2の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第3の酸化防止層を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第3の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第2の金属配線の上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第2のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2のシリコン含有金属配線および前記第3の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第3の金属拡散防止膜を形成する工程と、
を有するものである。
【0035】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第2の金属配線の上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第2のシリコン含有金属配線を形成する工程は、前記ビアプラグ内部までシリコンを拡散させることとしてもよい。
【0037】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記シリコン含有金属配線を形成する工程と前記金属拡散防止膜を形成する工程の間に、前記シリコン含有金属配線および露出した絶縁膜の表面を窒化する工程を含むこととしてもよい。また、前記金属配線の配線全体にシリコンを拡散させることとしてもよく、前記金属配線はシリコン濃度が上面で最も高いこととしてもよく、前記金属配線はシリコン濃度が8atoms%以下であることとしてもよい。
【0039】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第1の金属配線の配線全体にシリコンを拡散させることとしてもよく、前記第1の金属配線はシリコン濃度が上面で最も高いこととしてもよく、前記第1の金属配線はシリコン濃度が8atoms%以下であることとしてもよい。
【0041】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第2の金属配線の配線全体にシリコンを拡散させることとしてもよく、前記第2の金属配線はシリコン濃度が上面で最も高いこととしてもよく、前記第2の金属配線はシリコン濃度が8atoms%以下であることとしてもよい。
【0043】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記ビアプラグはシリコン濃度が上面で最も高いこととしてもよく、前記ビアプラグはシリコン濃度が8atoms%以下であることとしてもよい。
【0045】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記絶縁膜は、SiO2、SiOC、および有機膜のうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよく、前記絶縁膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよい。
【0046】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記絶縁膜は、下層膜、および該下層膜上に形成される上層膜からなる積層膜を有し、
前記下層膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを有し、
前記上層膜はSiO2を有することとしてもよい。
【0047】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第1の絶縁膜は、SiO2、SiOC、および有機膜のうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよく、前記第1の絶縁膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよい。
【0048】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第1の絶縁膜は、下層膜、および該下層膜上に形成される上層膜からなる積層膜を有し、
前記下層膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを有し、
前記上層膜はSiO2を有することとしてもよい。
【0049】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第3の絶縁膜は、SiO2、SiOC、および有機膜のうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよく、前記第3の絶縁膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよい。
【0050】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第3の絶縁膜は、下層膜、および該下層膜上に形成される上層膜からなる積層膜を有し、
前記下層膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを有し、
前記上層膜はSiO2を有することとしてもよい。
【0052】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第2の絶縁膜は、SiO2、SiOC、および有機膜のうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよく、前記第2の絶縁膜は、梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよい。
【0053】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第2の絶縁膜は、下層膜、および該下層膜上に形成される上層膜からなる積層膜を有し、
前記下層膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを有し、
前記上層膜はSiO2を有することとしてもよい。
【0054】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記梯子型水素化シロキサンは膜密度が1.50g/cm3以上1.58g/cm3以下であることとしてもよく、前記梯子型水素化シロキサンは633nm波長での膜の屈折率が1.38以上1.40以下であることとしてもよい。
【0055】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第2の絶縁膜はエッチングストッパー膜を有することとしてもよい。この場合、前記エッチングストッパー膜は、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよい。
【0060】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記酸化防止層を除去する工程の温度が250℃以上400℃以下であることとしてもよく、前記シリコンを拡散させる工程の温度が250℃以上400℃以下であることとしてもよい。この場合、前記酸化防止層を除去する工程と前記シリコンを拡散させる工程の温度が等しいこととしてもよい。
【0061】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記シリコンを拡散させる工程で、SiH4、Si2H6およびSiH2Cl2のガスのうち少なくとも一つを用いることとしてもよい。
【0062】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記金属配線が水素を含有することとしてもよい。さらに、前記金属配線が炭素を含有することとしてもよい。
【0063】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記金属配線がバリアメタルを有することとしてもよい。
【0064】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第1の金属配線が水素を含有することとしてもよい。さらに、前記第1の金属配線が炭素を含有することとしてもよい。
【0065】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第1の金属配線がバリアメタルを有することとしてもよい。
【0066】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第2の金属配線および前記ビアプラグが水素を含有することとしてもよい。さらに、前記第2の金属配線および前記ビアプラグが炭素を含有することとしてもよい。
【0067】
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記第2の金属配線および前記ビアプラグがバリアメタルを有することとしてもよい。
【0068】
さらに、上記本発明の半導体装置の製造方法において、前記銅の合金は、Al、Ag、W、Mg、Be、Zn、Pd、Cd、Au、Hg、Pt、Zr、Ti、Sn、Ni、およびFeのうち少なくとも一つを含有することとしてもよく、前記バリアメタルは、Ti、TiN、TiSiN、Ta、TaN、およびTaSiNのうち少なくとも一つを有することとしてもよい。
【0069】
上記目的を達成するための本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成された第1の絶縁膜中の溝部内に設けられ、シリコンが拡散された第1の金属配線と、
前記第1の金属配線の露出面を覆う第1の金属拡散防止膜と、
を有する構成である。
【0070】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第1の金属配線の上面に接続され、前記第1の金属拡散防止膜、および前記第1の金属拡散防止膜上に形成された第2の絶縁膜の中に設けられたビアプラグと、
前記ビアプラグと接続され、前記第2の絶縁膜上に形成された第3の絶縁膜中に設けられ、シリコンが拡散された第2の金属配線と、
前記第2の金属配線の露出面を覆う第2の金属拡散防止膜と、
を有することとしてもよい。
【0071】
この場合、前記ビアプラグと前記第2の金属配線との間に、該ビアプラグと該第2の金属配線とを分離するバリアメタルを有することとしてもよく、前記ビアプラグにシリコンが拡散されていることとしてもよい。
【0072】
また、本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成された第1の絶縁膜中の溝部内に設けられた第1の金属配線と、
前記第1の金属配線の上面に接続され、前記第1の絶縁膜上に形成された第2の絶縁膜に設けられ、シリコンが拡散されたビアプラグと、
前記ビアプラグと接続され、前記第2の絶縁膜上に形成された第3の絶縁膜中に設けられた第2の金属配線と、
を有する構成である。
【0073】
この場合、前記ビアプラグと前記第2の金属配線とが一体であることとしてもよい。
【0074】
また、上記本発明の半導体装置において、シリコンが前記ビアプラグ全体に拡散されていることとしてもよく、前記ビアプラグはシリコン濃度が上面で最も高いこととしてもよく、前記ビアプラグはシリコン濃度が8atoms%以下であることとしてもよい。
【0075】
また、上記本発明の半導体装置において、前記ビアプラグは、金属シリサイド層を含有しないシリコン含有金属ビアプラグであることとしてもよい。
【0076】
また、上記本発明の半導体装置において、シリコンが前記第1の金属配線の配線全体に拡散されていることとしてもよく、前記第1の金属配線はシリコン濃度が上面で最も高いこととしてもよく、前記第1の金属配線はシリコン濃度が8atoms%以下であることとしてもよい。
【0077】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第1の金属配線は、金属シリサイド層を含有しないシリコン含有金属配線であることとしてもよい。
【0078】
また、上記本発明の半導体装置において、シリコンが前記第2の金属配線の配線全体に拡散されていることとしてもよく、前記第2の金属配線はシリコン濃度が上面で最も高いこととしてもよく、前記第2の金属配線はシリコン濃度が8atoms%以下であることとしてもよい。
【0079】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第2の金属配線は、金属シリサイド層を含有しないシリコン含有金属配線であることとしてもよい。
【0080】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第1の金属拡散防止膜は、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを有することとしてもよく、前記第2の金属拡散防止膜は、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを有することとしてもよい。
【0081】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第1の絶縁膜は、SiO2、SiOC、および有機膜のうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよく、前記第1の絶縁膜は、梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよい。
【0082】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第1の絶縁膜は、下層膜、および該下層膜上に形成される上層膜からなる積層膜を有し、
前記下層膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを有し、
前記上層膜はSiO2を有することとしてもよい。
【0083】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第2の絶縁膜は、SiO2、SiOC、および有機膜のうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよく、前記第2の絶縁膜は、梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよい。
【0084】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第2の絶縁膜は、下層膜、および該下層膜上に形成される上層膜からなる積層膜を有し、
前記下層膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを有し、
前記上層膜はSiO2を有することとしてもよい。
【0085】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第3の絶縁膜は、SiO2、SiOC、および有機膜のうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよく、前記第3の絶縁膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを含んでいることとしてもよい。
【0086】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第3の絶縁膜は、下層膜、および該下層膜上に形成される上層膜からなる積層膜を有し、
前記下層膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを有し、
前記上層膜はSiO2を有することとしてもよい。
【0087】
また、上記本発明の半導体装置において、前記梯子型水素化シロキサンはL−Oxであることとしてもよく、前記梯子型水素化シロキサンは膜密度が1.50g/cm3以上1.58g/cm3以下であることとしてもよく、前記梯子型水素化シロキサンは633nm波長での膜の屈折率が1.38以上1.40以下であることとしてもよい。
【0088】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第1の金属配線が銅および銅の合金のうち少なくとも一つを含有することとしてもよい。この場合、前記第1の金属配線が水素を含有することとしてもよい。さらに、前記第1の金属配線が炭素を含有することとしてもよい。
【0089】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第1の金属配線がバリアメタルを有することとしてもよい。
【0090】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第2の金属配線および前記ビアプラグが銅および銅の合金のうち少なくとも一つを含有することとしてもよい。この場合、前記第2の金属配線および前記ビアプラグが水素を含有することとしてもよい。さらに、前記第2の金属配線および前記ビアプラグが炭素を含有することとしてもよい。
【0091】
また、上記本発明の半導体装置において、前記第2の金属配線および前記ビアプラグがバリアメタルを有することとしてもよい。
【0092】
さらに、上記本発明の半導体装置において、前記銅の合金は、Al、Ag、W、Mg、Be、Zn、Pd、Cd、Au、Hg、Pt、Zr、Ti、Sn、Ni、およびFeのうち少なくとも一つを含有することとしてもよく、前記バリアメタルは、Ti、TiN、TiSiN、Ta、TaN、およびTaSiNのうち少なくとも一つを有することとしてもよい。
【0093】
(作用)
上記のように構成される本発明では、金属配線にシリコンを拡散させているため、シリコンを拡散させない場合に比べて、金属拡散防止膜との密着性がよくなる。また、シリコンを拡散させるため、製造工程中におけるマイグレーションが抑制される。また、配線のエレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーション耐性が向上する。さらに、シリコンが拡散された金属配線は酸化耐性が高いため、エッチング時における配線表面の劣化が抑制される。
【0094】
また、本発明では、ビアプラグ内にもシリコンを拡散させているため、製造工程中におけるマイグレーション抑制効果がさらに向上する。また、配線のエレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションの耐性がさらに向上する。
【0095】
また、本発明では、金属配線上面でシリコン濃度が高いため、上層となる金属拡散防止膜との密着性がより向上する。
【0096】
また、本発明では、金属配線中のシリコン濃度が8atoms%以下であるため、シリサイド層より配線抵抗の大きくなるのが抑制される。
【0097】
また、本発明では、金属配線表面に形成された酸化防止層を除去してから金属拡散防止膜を金属配線上に形成するまで金属配線を酸素雰囲気に曝すことがないため、配線表面だけでなく金属の結晶粒界面に沿って発生する金属の酸化が抑制される。そのため、配線表面だけでなく結晶粒に沿った深さ方向に対してもシリコンを拡散でき、配線底部までシリコンを含有したシリコン含有金属配線を形成できる。
【0098】
また、本発明では、酸化防止層の除去のための加熱処理を250℃から400℃の温度範囲で行っているため、プラズマ処理の場合のプラズマにより加熱された配線表面のみがシリコンと反応してシリサイド層が形成されることを防止できる。
【0099】
また、本発明では、シリコンの拡散処理を250℃から400℃の温度範囲で行っているため、金属配線表面にシリサイド層が形成されることなく金属配線にシリコンが拡散される。
【0100】
また、本発明では、酸化防止層を除去する工程とシリコンを拡散させる工程の温度が等しいため、温度条件が異なる場合に必要な、温度安定までの待機時間を低減でき、酸化層除去からシリコン拡散までのスループットが向上する。
【0101】
また、本発明では、同じ層の配線同士を絶縁するための絶縁膜に、梯子型水素化シロキサンまたはポーラス梯子型水素化シロキサンを含んでいるので、配線間容量を酸化膜より低減できる。また、膜密度が1.50g/cm3以上1.58g/cm3以下、または、633nm波長での膜の屈折率が1.38以上1.40以下であると誘電率がさらに低くなる。
【0102】
また、本発明では、金属拡散防止膜にSiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つ用いているため、シリコンが拡散された金属配線と金属拡散防止膜の密着性がよい。
【0103】
また、本発明では、エッチングストッパー膜を用いているため、オーバーエッチングを防ぎ、エッチング処理毎に形成される溝の形状が一定になる。
【0104】
また、本発明では、異なる配線層を絶縁するための絶縁膜に、SiO2、SiOCおよび有機膜のうち少なくとも一つ用いているため、窒化膜に比べて配線間容量を低減できる。
【0105】
また、本発明では、エッチングストッパー膜に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つ用いているため、窒化膜に比べて配線間容量を低減できる。
【0106】
また、本発明では、ベンゾトリアゾールまたはベンゾトリアゾール誘導体を含む膜を用いているため、金属の腐食防止効果が高い。
【0107】
また、本発明では、金属配線が銅および銅の合金のうち少なくとも一つを含有する配線であるため、配線抵抗が小さくなり、またエレクトロマイグレーション耐性が向上する。
【0108】
さらに、本発明では、金属配線が水素を含有しているため、金属配線の酸化を抑制し、金属シリサイドの析出を防止する。
【0109】
【発明の実施の形態】
(第1実施例)
本発明の第1実施例の半導体装置の構成について説明する。
【0110】
図1は本発明の半導体装置の構造を示す断面図である。
【0111】
図1に示すように、本実施例の半導体装置は、Cu配線にシリコンが拡散されたシリコン含有銅(Cu)配線8が半導体基板(不図示)上に成膜された下地絶縁膜1上のSiO2絶縁膜2に形成された溝部に設けられた構成である。シリコン含有Cu配線8の側面と底面はTa/TaN膜5に覆われており、シリコン含有Cu配線8の上面には、Cu拡散防止膜であるSiCN膜9、および配線層間の絶縁性確保のためのSiO2層間絶縁膜10が順に形成されている。図1に示すシリコン含有Cu配線8の他、不図示のトランジスタ、ダイオード、抵抗、およびキャパシタなどから半導体装置が構成される。
【0112】
次に、第1実施例の半導体装置の製造過程において、シリコン含有Cu配線8およびSiCN膜9などの膜形成に用いられる平行平板型プラズマCVD装置について説明する。なお、ここでは、半導体基板上に膜形成する場合で説明する。
【0113】
図2は第1実施例に用いられる平行平板型プラズマCVD装置の構成の一実施例を模式的に示す断面図である。
【0114】
上記プラズマCVD装置は、半導体基板100上に成膜処理を行うための処理室30と、処理室30内に載置された半導体基板100の温度を一定に保つためのヒータ32と、半導体基板100を処理室30に搬入し、処理室30から搬出する搬送手段(不図示)と、処理室30内の圧力を一定に保つための排気手段34と、処理室30に複数種類の反応ガスを供給するためのガス供給部36と、処理室30内に高周波を発生させるための高周波発生機42と、ヒータ32、搬送手段(不図示)、排気手段34、ガス供給部36および高周波発生機42を制御するコンピュータ38とを備える構成である。
【0115】
ガス供給部36は、数種類の反応ガスを供給するための複数のガス配管35、およびガス流量制御手段37を介して処理室30に接続されている。
【0116】
処理室30には上部平板電極40と下部平板電極41が対向して設けられ、上部平板電極40および下部平板電極41は上記高周波発生機42に接続されている。また、下部平板電極41には上記ヒータ32が内蔵されている。高周波発生機42は、所定の周波数および高周波電力(RFパワー)の高周波を上部平板電極40と下部平板電極41の間に発生させる。
【0117】
上記構成のプラズマCVD装置により、例えば、SiCN膜9を形成する場合、下部平板電極41上に載置された半導体基板100をヒータ32により所望の温度にし、反応ガスの種類および流量を調節して処理室30内を所望のガス雰囲気で所望の処理圧力にし、所望の高周波のRFパワーを印加することで処理室30内に反応ガスのプラズマを発生させて、半導体基板100上にSiCN膜9を形成する。
【0118】
なお、上記プラズマCVD装置において、シリコン含有Cu配線8形成のためのシリコン拡散、およびSiCN膜9などの膜形成だけでなく、上記ガス雰囲気、処理圧力、処理温度、およびRFパワーなどの処理条件を調節することにより、半導体基板100上に形成された膜を除去することも可能となる。半導体基板100上に形成された膜の除去を可能にするため、上記プラズマCVD装置は半導体基板100を一枚ずつ処理する枚様式タイプである。
【0119】
次に、上記プラズマCVD装置を用いた、第1実施例の半導体装置の製造方法について説明する。
【0120】
図3は第1実施例の半導体装置の製造工程手順を示す断面図である。
【0121】
トランジスタおよびキャパシタなどの半導体素子が形成された半導体基板(不図示)上の下地絶縁膜1上にプラズマCVD法により膜厚500nmのSiO2絶縁膜2を成膜する。成膜したSiO2絶縁膜2上にフォトレジスト3を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジスト3に溝配線用レジストパターン4を形成する(図3(a))。
【0122】
次に、ドライエッチング技術により、溝配線用レジストパターン4からSiO2絶縁膜2をエッチングして、SiO2絶縁膜2に溝配線用パターンを形成する。その後、酸素プラズマ処理を行うO2ドライアッシングと、レジスト残渣除去のためのウェット剥離とによりフォトレジスト3を除去する。
【0123】
次に、図3(b)に示すように、露出した下地絶縁膜1、およびSiO2絶縁膜2上に、バリアメタルとしてTa/TaN膜5を膜厚30nmで成膜し、成膜したTa/TaN膜5上に、電解メッキ法の陰極側下地層となるCu層を膜厚100nmでスパッタリング法により成膜する。その後、電解メッキ法によりCu層6を溝配線用パターンに埋め込んでから、結晶化のために400℃の熱処理を行う。
【0124】
続いて、CMP法によりSiO2絶縁膜2上のCu層6とTa/TaN膜5を除去して、Cu配線7を形成する。CMP法処理の後、Cu配線7上面に付着した砥粒を洗浄処理により除去すると、洗浄処理に用いられた水によりCu配線7の上面にCu酸化層が形成される。その後、Cu酸化層露出面をBTAの1%希釈溶液にさらすと、BTAとCu酸化層が反応して酸化防止層となるBTA層11が形成される(図3(c))。
【0125】
なお、BTA層11の下層に未反応のCu酸化層が残る場合もあるが、BTA層11を形成する前に、シュウ酸等によりCu酸化層を除去することによりCu酸化層を数nm以下に制御できる。本実施例では、図に示すように、Cu配線7上にBTA層11が形成された場合で説明する。
【0126】
次に、Cu配線7上のBTA層11を熱分解により除去するため、上記プラズマCVD装置で、処理温度250〜400℃、N2ガス流量100〜5000sccm、処理圧力20Torr以下の条件で2分間、熱処理を行う。
【0127】
次に、Cu酸化層が除去されたCu配線7の露出面を酸素にさらすことなく、上記プラズマCVD装置内において、SiH4ガス流量10〜500sccm、N2ガス流量100〜5000sccm、処理圧力20Torr以下の条件でCu配線7に120秒間熱処理を行い、シリコン含有Cu配線8を形成する。ここで、シリコン含有Cu配線8を形成する際、SiH4の熱処理条件によってはSiO2絶縁膜2上にSiが析出して、析出したSiがCu配線7間の短絡を起こす可能性がある。そのため、シリコン含有Cu配線8形成後、シリコン含有Cu配線8の露出面を酸素にさらすことなく、上記プラズマCVD装置内において、NH3ガス流量50〜1000sccm、N2ガス流量100〜5000sccm、処理圧力20Torr以下、RFパワー50〜500Wの条件で3秒間プラズマ処理を行い、シリコン含有Cu配線8およびSiO2絶縁膜2の表面に析出したSiを窒化する。
【0128】
次に、上記窒化処理の後、シリコン含有Cu配線8を酸素にさらすことなく、上記プラズマCVD装置内で、SiH(CH3)3、NH3、およびHeの反応ガスを用いたプラズマCVD法により、Cu拡散防止膜としてSiCN膜9を膜厚50nmで、表面を窒化したシリコン含有Cu配線8およびSiO2絶縁膜2の上に成膜する。
【0129】
その後、上記プラズマCVD装置により、層間絶縁膜としてSiO2層間絶縁膜10を膜厚500nmでSiCN膜9上に成膜して、シリコン含有Cu配線8上の層間絶縁膜を形成する。(図3(d))。
【0130】
なお、上記シリコン含有Cu配線8の形成については、原料ガスとしてSiH4を用いたが、Si2H6やSiH2Cl2といった無機シランガスであればよく、かつO2を含まないガス雰囲気中で、処理温度250℃以上400℃以下、処理圧力20Torr以下にて行えばよい。
【0131】
また、Cu配線7にシリコンが拡散されているため、上層のCu拡散防止膜との密着性がよくなる。なお、Cu拡散防止膜との密着性をより向上させるために、シリコン含有Cu配線8のシリコン濃度が配線上面で最も高くなるようにすることが望ましい。また、配線抵抗が大きくなるのを抑制するために、シリコン含有Cu配線8中のシリコン濃度を8atoms%以下にすることが望ましい。
【0132】
ここで、Cuシリサイドとシリコン含有Cu配線の違いについて説明する。
【0133】
図4はシリコンとCuの状態を示す相図である。図4に示す、CuとSiとの相図からCuとSiの比率が92:8以下のSi含有量ではCuシリサイドが形成されず、シリコン含有Cu層が形成される。このシリコン含有Cu層による配線がシリコン含有Cu配線となる。
【0134】
次に、Cuシリサイドの形成方法とシリコン含有Cu膜の形成方法の違いについて説明する。
【0135】
Cuシリサイドの形成方法は上記特開2000―150517号公報に、以下のように開示されている。この公報には、半導体集積回路装置の製造方法として、(a)半導体基板上に形成された層間絶縁膜に溝パターンを形成する工程と、(b)前記層間絶縁膜の上層にバリア層およびCu膜を順次形成する工程と、(c)前記Cu膜の表面および前記バリア層の露出した表面を化学的機械研磨法によって平坦化し、前記溝パターンに前記Cu膜および前記バリア層を埋め込む工程と、(d)0.1Torr以下の減圧状態においてシラン系ガス雰囲気中で半導体基板に熱処理を施し、前記Cu膜の表面をシリサイド化する工程とを有することが記載されている。この方法によりCuシリサイドを容易に形成できる。
【0136】
一方、上記Cuシリサイドに対してCu中におけるシリコン濃度が8atoms%以下となるシリコン含有Cu膜を、上記公報に開示された方法で形成することは困難である。上述したように、本発明におけるシリコン含有Cu膜形成方法は、特開2000−150517号公報の上記(a)〜(c)の工程の後、(d)’Cu膜の表面に酸化防止層を形成する工程と、(e)’熱処理を行い酸化防止層を除去する工程と、(f)’酸化雰囲気に曝さずに減圧状態でシラン系ガス雰囲気中で半導体基板に熱処理を施し、上記Cu膜をシリコン含有Cu膜にする工程とを有することを特徴とする。以下に、上記(e)’と(f)’の工程の処理条件について詳細に説明する。なお、シラン系ガスとしてSiH4を用い、SiH4ガスによる処理をSiH4処理と称する。
【0137】
図5に酸化防止層除去とSiH4処理の処理条件についての実験の結果を示す。図5(a)はCuシリサイド析出の熱処理温度依存性を示すグラフであり、図5(b)はBTA脱離の熱処理温度依存性を示すグラフであり、図5(c)はCu膜へのシリコン拡散の熱処理温度依存性を示す表である。
【0138】
図5(a)のグラフは、Cu膜の酸化防止層としてCu膜上にBTAを形成した場合(●印)と、BTAを形成しない場合(□印)について、CVD装置の処理室となるチャンバー内で酸化防止層を除去するための熱処理を行い、さらにSiH4処理を行った後の微細Cu配線部のCuシリサイド析出数を示している。
実験ではSiH4処理に複数の温度条件を設けた。温度条件は、温度200℃から450℃の範囲について、BTAを形成したサンプルでは11条件であり、BTAを形成しなかったサンプルでは4条件であった。Cuシリサイド析出数の計測は、面積約500μm□の観察エリアを光学顕微鏡で行った。グラフの横軸はSiH4処理の温度であり、縦軸はCuシリサイド析出数である。
【0139】
図5(a)に示すように、BTAを形成した場合、SiH4処理の温度が400℃以下でCuシリサイドの析出は起こらず、シリコン含有Cu膜を形成できた。そして、425℃以上ではCu配線上面で部分的にCuシリサイド析出物が発生し、450℃ではCuシリサイド析出物が2000個以上発生してしまった。したがって、BTAを用いる場合には、シラン系ガスにCu膜を曝すときの温度は400℃以下が好ましい。
【0140】
一方、BTAを形成しなかった場合、SiH4処理の温度が250℃でもCuシリサイドが析出してしまった。そのため、酸化防止層をCu膜の上に形成しなければ、SiH4処理の温度が250℃以上でCuシリサイドが形成されることがわかった。
【0141】
図5(b)は、Cu膜上にBTAが形成されたサンプルに熱処理をかけながら、API−MS法によりBTAに相当する質量数119の昇温脱離スペクトルを測定した結果を示すグラフである。グラフの横軸は処理温度であり、縦軸は脱離強度を示す。
【0142】
図5(b)に示すように、処理温度を上げていくと、BTAの脱離は180℃から始まり、250℃で脱離強度が最大となるピークを持ち、270℃以上でそのピークが下がり始める。この結果からBTAの脱離が始まる180℃以上のSiH4処理でCu膜中にシリコンが拡散するか否かを確認したので、以下に説明する。
【0143】
図5(c)はCu膜中のシリコン含有の有無を示す表である。図5(c)に示すように、図5(b)に示したAPI−MS(Atomospheric Pressure Ion−Mass Spectroscopy)法による測定結果にほぼ対応して、処理温度200℃と225℃ではCu膜中でのシリコンの含有を確認できなかったが、250℃以上でCu膜中のシリコンの含有を確認できた。
【0144】
上述の実験結果から、温度250℃以上の熱処理であればBTAを充分に脱離させることができ、温度250℃以上400℃以下のSiH4処理であればCuシリサイドが析出せずに、シリコンをCu膜中に拡散させることが可能である。
【0145】
したがって、酸化防止層にBTAを用いた場合、好ましくは、特開2000−150517号公報の上記(a)〜(c)の工程の後、(d)’Cu膜の表面にBTA層を形成する工程と、(e)’CVD装置のチャンバー内で温度250℃以上400℃以下で熱処理を行って酸化防止層を除去する工程と、(f)’酸化防止層除去工程と同じ温度で酸化雰囲気に曝さずに減圧状態でシラン系ガス雰囲気中で半導体基板に熱処理を施すことにより、Cu膜をシリコン含有Cu膜にする工程とを有する。そして、(e)’と(f)’の工程の温度を等しくすれば、温度条件が異なる場合に必要な、温度安定までの待機時間を低減でき、酸化層除去からシリコン拡散までのスループットが向上する。
【0146】
なお、ここではデータとして示さなかったがBTAを用いた場合、SiH4処理前に還元性ガスを用いたプラズマ処理を行うと、プラズマにより加熱された配線表面のみがシリコンと反応して、よりCuシリサイド異常析出が形成されてしまい好ましくない。また、SiH4ガス処理後に還元性ガスを用いたプラズマ処理をすることはCuシリサイド析出とは関係がないので問題はない。
【0147】
図3に示した製造工程手順において、シリコン含有Cu配線8形成後、シリコン含有Cu配線8およびSiO2絶縁膜2の表面に析出したSiをプラズマ処理により窒化しているが、HeガスまたはArガスを用いたプラズマ処理により表面をエッチングしてSiの析出を除去するSiエッチングを行ってもよく、Siの析出がなければ上記窒化処理および上記Siエッチング処理を省略してもよい。
【0148】
また、Cu拡散防止膜としてSiCN膜9を用いたが、SiC膜、または有機膜でも良い。有機膜は、例えば、プラズマCVD法により形成可能なテフロン系有機高分子膜およびアモルファスカーボン膜である。
【0149】
また、シリコン含有Cu配線8に酸化防止効果もあるため、Cu拡散防止膜として、SiC膜およびSiCN膜の代わりにSiOC膜などのOを含む絶縁膜を用いても良い。
【0150】
また、Cu配線7表面のBTA層11を除去するための熱処理をN2ガス雰囲気で行っているが、反応ガスにNH3、H2、He、ArおよびSiH4のうち少なくとも一つのガスを含み、かつO2ガスを含まない雰囲気による熱処理であればよい。さらに、いずれのガスも流さずに真空下における熱処理でもよい。この熱処理の際、温度250℃以上400℃以下、圧力20Torr以下であれば、BTA層11を除去可能である。
【0151】
本実施例では、Cu配線7上のCu酸化層露出面に酸化防止層を形成した後、密閉された処理室で、酸化防止層の除去からCu拡散防止膜形成までの処理を行っており、Cu配線およびシリコン含有Cu配線を酸素にさらすことがないため、Cu配線およびシリコン含有Cu配線の上面に酸化層が形成されることがない。そのため、シリコン含有Cu配線8とCu拡散防止膜の密着性がよくなり、シリコン含有Cu配線8中のCu粒子が移動するのを防ぎ、エレクトロマイグレーション耐性が向上する。また、上層に形成される保護膜などの応力によるシリコン含有Cu配線8の断線を防ぎ、ストレスマイグレーションの耐性が向上する。したがって、配線寿命の長い配線を形成できる。
【0152】
なお、上記Cu層6は水素含有のCu層である方が好ましい。それは、Cu層へのCMP処理であるCu−CMP処理の後に、バリア絶縁膜となるSiCN膜9の成膜前のSiH4ガスの曝露中に水素がCu配線中から脱離することが望ましいからである。その理由について、詳細に説明する。
【0153】
SiCN膜9の成膜装置であるプラズマCVD装置内に微量の残留酸素があると、Cu配線中のグレイン界面で酸化が進み、Cu−CMP処理後にSiH4ガスに曝露する際、Cu配線表面に不均一に形成された金属酸化物がCuシリサイドの析出物を発生させやすくしてしまう。これに対して、Cu層が水素を含有していれば、Cu−CMP処理後のSiCN膜成膜前のBTA除去やSiH4処理で、プラズマCVD装置中に微量の残留酸素があっても、Cu配線から水素が脱離するためCu配線中のグレイン界面の酸化が進行せず、Cu配線表面状態が均一になり、Cuシリサイドの析出物が発生せず、シリコン含有Cu配線が形成される。このことは、水素を含有するCu層に限らず、水素含有Cu合金層であっても同様である。Cu層中における水素の含有については、TDS(昇温脱離ガス法)により質量数2のガスの脱離として確認できた。また、SIMS(二次イオン質量分析)によりCu層中の水素を分析すると、バックグランドレベルよりも2桁以上大きいカウント数を確認した。
【0154】
また、厳密にいえば、Cu層6の埋設性向上のため、Cu層6形成の際に有機成分を添加(100ppm以下)したCuめっき液を使用している。そのため、Cu層6中には微量の炭素が含有されており、上記Cu層6は炭素含有Cu層であってもよい。
【0155】
(第2実施例)
本発明の第2実施例は、VF法によるデュアルダマシン構造の二層配線にシリコン含有銅配線を適用し、その配線層間絶縁膜に低誘電率層間絶縁膜を適用したことを特徴とする。
【0156】
第2実施例の構成について説明する。
【0157】
図6は本実施例の半導体装置の構造を示す断面図である。
【0158】
図6に示すように、本実施例の半導体装置は、第1のシリコン含有銅配線210がビアプラグを介して第2のシリコン含有銅配線223に接続された構成である。
【0159】
第1のシリコン含有銅配線210は積層膜に形成された溝部に設けられている。その溝部は、半導体基板(不図示)上に成膜された下地絶縁膜201、SiCN膜202、梯子型の水素化シロキサン(Hydrogen Siloxane)であるLadder Oxide膜203およびSiO2膜204からなる積層膜に形成されている。第1のシリコン含有銅配線210の側面と底面はTa/TaN膜208に覆われている。なお、以下では、Ladder OxideをL−Ox(NECエレクトロニクス株式会社の商標(出願中))と称する。
【0160】
ビアプラグは、SiO2膜204上のSiCN膜211およびSiO2膜212からなる積層膜に形成された孔部に設けられている。その孔部の側面と底面はTa/TaN膜220に覆われ、その中がシリコン含有銅で埋め込まれている。
【0161】
第2のシリコン含有銅配線223は積層膜に形成された溝部に設けられている。その溝部は、SiO2膜212、SiCN膜213、L−Ox膜216およびSiO2膜217からなる積層膜に形成されている。第2のシリコン含有銅配線223の側面はTa/TaN膜220に覆われ、第2のシリコン含有銅配線223の上面にはSiCN膜222が形成されている。
【0162】
なお、第1のシリコン含有銅配線210、ビアプラグおよび第2のシリコン含有銅配線223の他、不図示のトランジスタ、ダイオード、抵抗、およびキャパシタなどから半導体装置が構成される。
【0163】
次に、本実施例の半導体装置の製造方法について説明する。
【0164】
図7〜図10は第2実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、第1実施例と同様な工程については、その詳細な説明は省略する。
【0165】
本実施例の半導体装置の製造方法では、半導体素子を有する基板上に成膜された下地絶縁膜201上に、第1溝配線の溝部形成のためのエッチングストッパー膜としてSiCN膜202をプラズマCVD法により50nm成膜する。次に、第1の銅溝配線の層間絶縁膜として低誘電率層間絶縁膜であるL−Ox膜203を塗布法により300nm成膜し、400℃の焼成をN2雰囲気で30分行う。
次に、SiO2膜204をプラズマCVD法により100nm成膜する。次に、成膜したSiO2膜204上に第1溝配線用レジストパターン206を形成する(図7(a))。
【0166】
さらに、ドライエッチング技術により第1溝配線用レジストパターンからSiO2膜204とL−Ox膜203をエッチングして、第1溝配線パターン207を形成する。その後、O2ドライアッシングによりフォトレジスト205と反射防止膜225を除去する(図7(b))。
【0167】
次に、ドライエッチングによりエッチングストッパー膜であるSiCN膜202のエッチバックを行い、下地半導体素子との導通面を開口し、エッチング残渣除去のためのウェット剥離を行い、第1溝配線パターン207を形成する。次に、バリアメタルとしてTa/TaN膜208を30nmスパッタリング法により成膜し、続いて、Ta/TaN膜208の上にCu膜209を膜厚100nmでスパッタリング法により成膜する。その後、電解メッキ法によりCu膜209を700nm成膜し、第1溝配線パターン207を埋め込んでから、結晶化のためにN2雰囲気で400℃、30分の熱処理を行う(図7(c))。
【0168】
次に、SiO2膜204上のCu膜209およびTa/TaN膜208をCMP法により除去し、さらにBTA溶液による表面処理を行うことによりCu表面がBTA層で酸化防止処理された第1の銅溝配線を形成する(図7(d))。
【0169】
次に、第1の銅溝配線上のBTA層を熱分解により除去するため、第1実施例と同様にして、プラズマCVD装置内で、処理温度250〜400℃、N2ガス流量100〜5000sccm、処理圧力20Torr以下の条件で2分間、熱処理を行う。さらに、BTA層除去後、第1の銅溝配線を酸素にさらすことなく、SiH4ガス流量10〜500sccm、N2ガス流量100〜5000sccm、処理圧力20Torr以下の条件で第1の銅溝配線に240秒間熱処理を行い、第1のシリコン含有銅配線210を形成し、Cu拡散防止膜としてSiCN膜211を膜厚50nm成膜する。
【0170】
なお、ここで、第1のシリコン含有銅配線210におけるシリコン濃度の測定結果を示す。図11は第1のシリコン含有銅配線210における深さ方向のシリコン濃度を示すグラフである。図11に示すように、シリコン濃度は、配線の表面で最も高く、底面方向に深くなるにつれて低くなっている。
【0171】
次に、異層間絶縁膜としてSiO2膜212を400nm、エッチングストッパー膜としてSiCN膜213を50nm成膜する。その上に第2溝配線の層間絶縁膜としてL−Ox膜216を300nm塗布・焼成し、その上にSiO2膜217を100nm成膜する。次に、反射防止膜225とフォトレジスト214を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジストにビア用レジストパターン215を形成する(図8(e))。
【0172】
次に、ドライエッチング技術により、ビア用レジストパターン215から、層間絶縁膜および異層間絶縁膜までをエッチングして、第1のシリコン含有銅配線210上のSiCN膜211上で止める(図8(f))。このとき、SiCN膜211でエッチングが止まったビアも存在すれば、SiCN膜211でエッチングが止まらずに、ビア底で第1のシリコン含有銅配線210がむき出しになるビアも存在した。
【0173】
その後、O2ドライアッシングとウェット剥離により反射防止膜225、フォトレジスト214、およびレジスト残査を除去する。このとき、SiCN膜211が抜けてしまったビアでは、ビア底の第1のシリコン含有銅配線210が酸化もしくは腐食されてしまうが、シリコン含有銅配線の場合、電気陰性度の違いから、シリコンが先に酸化され、安定なSiO2膜224が自己整合的に形成されるので、銅の酸化および腐食は防止される。
【0174】
次に、反射防止膜225を塗布・焼成し、フォトレジスト218を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジストに第2溝配線用レジストパターン219を形成する(図9(g))。
【0175】
続いて、ドライエッチング技術により、第2溝配線用レジストパターン219から、SiO2膜217、L−Ox膜216、および反射防止膜225をエッチングストッパー膜となるSiCN膜213までエッチングする。その後、O2ドライアッシングを行い、第2溝配線用のフォトレジスト218および反射防止膜225を除去し、エッチバックを行い、ビア底のSiCN膜211を除去する。次に、ウェット剥離によりエッチング残渣を除去する(図9(h))。このとき、ビアエッチング工程でSiCN膜211が抜けてしまったビアでは、ビア底の第1のシリコン含有銅配線210がさらに酸化もしくは腐食されてしまうが、上述したように、シリコン含有銅配線の場合、電気陰性度の違いから、シリコンが先に酸化され、安定なSiO2が自己整合的に形成されるので、銅の酸化および腐食は防止される。
【0176】
その後、ビア底の自己整合的に形成されたSiO2をバリアスパッタ前のRFエッチング処理により除去し、大気に曝さずに、スパッタリング法により、Ta/TaN膜220を30nm成膜し、Ta/TaN膜220の上にシード用のCu膜221を100nm成膜する。しかる後に、電解メッキ法によりCu膜221を700nm成膜する(図9(i))。次に、図10(j)に示すように、CMP法により、第2の銅溝配線とビアプラグを形成する。
【0177】
次に、第1の銅溝配線と同様にして、BTA層を除去しSiH4を照射することにより第2のシリコン含有銅配線223を形成し、Cu拡散防止膜としてSiCN膜222を膜厚50nm成膜した(図10(k))。この際、上述したように、シリコン濃度は、配線の表面で最も高く、底面方向に深くなるにつれて低くなっている。
【0178】
上述のように、本実施例にて形成されたシリコン含有銅配線は、電気陰性度の違いから、シリコンが先に酸化され、安定なSiO2が自己整合的に形成されるので、エッチング工程における銅の酸化および腐食が防止できる。さらに、Cuシリサイドを形成した場合と比較すると膜中にシリコンを拡散させているため、配線表面がエッチングされても、銅の酸化防止効果が高い。
【0179】
次に、本実施例による半導体装置のビアチェーン歩留まりの評価結果について説明する。
【0180】
図12は二層配線によるビアチェーン歩留まりの評価結果を示すグラフである。
【0181】
図12に示すグラフから、Cuシリサイドが形成された銅配線(以下、シリサイド銅配線と称する)と同様に、純銅(pure Cu)配線よりも良好な歩留まりが得られたことがわかる。なお、シリサイド銅配線として、例えば、米国特許USP6211084に開示されているものがある。
【0182】
次に、エレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションの耐性の評価結果について説明する。
【0183】
図13はエレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションの耐性を評価した結果を示すグラフである。
【0184】
図13に示すグラフから、シリコン含有銅配線は、純銅配線およびシリサイド銅配線に比べて、エレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションの耐性が1桁高いことがわかる。
【0185】
上述の評価結果に示されるように、本実施例にて形成されたシリコン含有銅配線は、配線全体にシリコンを拡散させシリコン含有金属配線を形成することにより、最表面のみにシリサイド層を形成する場合よりも、金属配線の金属粒子の移動を抑制する効果が向上する。
【0186】
ここで、上記L−Oxの物性について説明する。
【0187】
同じ層の配線同士を絶縁するための配線層間絶縁膜や、下層配線および上層配線の間の異層間絶縁膜として、様々な低誘電率材料を用いることができるが、配線遅延防止の観点から、誘電率は2.9以下が望ましく、また、膜密度は低いものが望ましい。例えば、膜密度が1.50g/cm3以上1.58g/cm3以下、633nmの波長の屈折率が1.38以上1.40以下であることが望ましい。こうした絶縁膜材料の具体例として、上述のL−Oxを挙げることができる。
【0188】
図14はL−Oxの物性データを示す表である。
【0189】
図14に示すように、L−Oxの誘電率は2.9で、屈折率は1.39である。このことから、L−Oxは配線層間絶縁膜および異層間絶縁膜として好ましい材料であることがわかる。なお、絶縁膜として、L−Oxを単体で用いるだけでなく、SiO2膜等との積層膜であってもよい。SiO2膜は窒化膜に比べて誘電率が低いからである。
【0190】
次に、梯子型水素化シロキサンの構造について説明する。
【0191】
図15は梯子型水素化シロキサン構造を有するL−Oxの構造を示す模式図である。図15に示すnは1以上の正の数である。
【0192】
L−Oxは図15に示すような梯子型の分子構造を有するポリマーである。このように、L−Oxが図15に示す構造を有することについて、物質の同定および定性分析を行うFT−IRの観測結果で説明する。
【0193】
図16はFT−IRの観測結果を示すグラフである。
【0194】
図16に示すチャートで特徴的なのは、波数約830cm-1に現れるシャープなSi−H結合のスペクトルである。このスペクトルの急峻さが、L−Oxが2次元構造を有することを示唆している。また、この急峻なスペクトルの高波数側となる波数870cm-1付近にもう一つのSi−H結合のピークと想定されるものがあるが、このスペクトルは極端に小さい。このことも測定対象物質が2次元構造を有していることを示すと考えられる。
【0195】
次に、L−Oxの物性の焼成温度条件依存性について説明する。
【0196】
図17は焼成条件の変化に伴う物性の変動を示すグラフである。図17中に黒丸印で示すR.I.は633nmの波長での屈折率を示し、白四角印は密度を示す。実験は、窒素等の不活性ガス雰囲気、温度200℃以上450℃以下で焼成した。
【0197】
屈折率は誘電率に直接影響するパラメータであり、1.38〜1.40の間で推移する。屈折率は、200℃未満の温度および400℃よりも高い温度では1.40を超える値を示した。
【0198】
密度は、200℃以上400℃以下で焼成したL−Oxは1.50〜1.58g/cm3を示した。400℃を超える温度では、1.60g/cm3を超える値を示した。400℃を超える焼成温度では、密度の上昇が顕著となる。
【0199】
なお、200℃未満では測定できなかった。200℃未満では、図に示さないFT−IRのチャートから、波数約3650cm-1に現れるSi−OH(シラノール)と想定される結合のスペクトルが観測されており、Si−OH(シラノール)が物性に影響を与えていると考えられる。
【0200】
以上のことから、L−Oxを含む絶縁膜の成膜の際、200℃以上400℃以下の雰囲気温度で焼成することにより、低誘電率の優れた特性のL−Oxを安定して得られることがわかる。
【0201】
次に、従来知られている3次元的な構造をもつ水素化シルセスオキサン構造のHSQ(Hydrogen Silsesquioxane。以下、HSQと称する。)とL−Oxとの構造の違いについて説明する。
【0202】
図18はHSQの分子骨格を示す模式図である(「semiconductor technology outlook 1998年:p.431−435」より引用)。
【0203】
上記二つの構造の材料は、製造プロセスにおける膜安定性が大きく相違し、L−Oxの方が顕著に優れた膜安定性を示す。これは、HSQに比べてL−Oxの方がSi−H減少量が少ないことによるものと考えられる。また、絶縁膜中の水素原子の結合の態様が異なることも原因となっているものと考えられる。すなわち、HSQにおいては、その立方体構造の角部分に水素原子が結合しているのに対し、L−Oxでは、梯子構造の側面に水素原子が結合している。したがって、HSQの方が水素原子の周りの密度が低く、HSQの水素結合はL−Oxに比較し反応性に富む構造となっているものと考えられる。
【0204】
次に、L−OxとHSQの膜安定性の相違について説明する。
【0205】
L−OxおよびHSQを用いて2種類の配線構造を作製し、SiH4照射によるシリコン添加プロセスを実施したところ、膜質の耐性が大きく相違することを確認した。以下、実験データに基づいて説明する。
【0206】
なお、SiH4照射はプラズマCVD装置のチャンバー内で行い、照射条件は、処理温度250〜400℃、処理圧力20Torr以下、ガス流量SiH4=10〜500sccm、N2=100〜5000sccmである。実験で用いたHSQおよびL−Oxは、塗布後、約200℃のホットプレートでベークし、さらに、拡散炉で窒素雰囲気中350℃、30minで焼成したのもので、それぞれ300nmの膜厚のブランクウエハーを使用した。膜厚、屈折率の測定は分光エリプソメータで行った。誘電率は、水銀プローブ装置にて測定したキャパシタの値、および上記分光エリプソメータで測定した膜厚の値を用いて計算した。
【0207】
図19(a)はSiH4照射時間に対する膜厚収縮率変化量を示すグラフ、(b)はSiH4照射時間に対する屈折率変化量を示すグラフ、(c)はSiH4照射時間に対する誘電率変化量を示すグラフである。
【0208】
膜厚収縮率については、図19(a)に示すように、L−Oxの膜厚は、0sから120sまでのSiH4照射時間に依存せず、初期値に対して99%でほぼ変化がなかった。一方、HSQの膜厚は、SiH4照射時間が長くなるにつれて減少し、照射時間120sでは初期値の約80%まで減少した。
【0209】
屈折率変化については、図19(b)に示すように、波長633nmによる測定で、HSQでは、120s照射すると、屈折率が初期値の1.39から1.42まで変化した。これに対して、L−Oxでは、照射時間0sから120sまで、屈折率が初期値の1.39から変化しなかった。
【0210】
誘電率の変化については、図19(c)に示すように、HSQは、SiH4照射処理を行うと、初期値の2.9から、120s照射で3.4まで上昇してしまう。一方、L−Oxは、120s照射しても初期値の2.9から変化しなかった。
【0211】
上述の結果から、膜厚、屈折率、および誘電率のいずれについても、SiH4照射に対する耐性はL−Oxの方が優れていることが明らかになった。こうしたSiH4照射処理耐性の違いは、上述した水素結合の反応性の違いによるものと考えられる。
【0212】
以上のことから、SiH4照射処理を行う場合、層間膜としてHSQよりもL−Oxが好ましい。また、このL−Oxをポーラスにした、誘電率2.5のポーラスL−OxでもSiH4照射処理の耐性はL−Oxと同様であることが確認された。
【0213】
さらに、L−OxとHSQの薬液耐性について比較実験をしたので、その結果について説明する。
【0214】
図20(a)は一定量エッチングした後の膜厚を示す表であり、(b)はウエハ中の測定位置を示す模式図である。実験は、弗化アンモニウムおよび希釈されたHFからなるエッチング液にウエハを一定時間浸漬した後、図20(b)に示す5点▲1▼〜▲5▼の位置のエッチング量を測定した。表中の数値の単位はオングストローム(×10-8cm)である。
【0215】
図20に示すように、弗化アンモニウムおよび希釈されたHFに対するエッチング速度を比較すると、L−Oxの方がHSQに比べてエッチング速度が大きいことが分かった。
【0216】
次に、HSQ膜およびL−Ox膜を実際のダマシン配線構造の配線層間絶縁膜に適用して、SiH4照射処理をした結果について説明する。
【0217】
配線密度の高い場所では、CMP処理の研磨速度が大きいため、CMP処理後、マスクSiO2膜が無くなっているか、または薄くなっていた。そのため、配線にSiH4照射処理をすると、プラズマSiO2膜の下層のHSQ膜およびL−Ox膜にもSiH4照射処理をすることになる。ライン/スペース=0.2/0.2マイクロメートルの配線構造にSiH4照射処理をした場合の配線間容量を比較すると、HSQではSiO2に対して2〜3%しか低下しないのに対し、L−OxではSiO2に対して8〜12%の十分な低減が確認された。さらに、ポーラスL−Ox(k=2.5)の場合では、SiO2膜に対して15〜20%程度の低減が確認された。
【0218】
上述のことから、実際の配線構造においても、HSQに比べ、L−OxまたはポーラスL−Oxの方が好ましいことが確認された。
【0219】
また、その他の、炭素を含有している材料であるMSQ(Methyl Silsesquioxane)、および炭素が主構造となっているOrganicPolymerについても、実際のダマシン構造を用いてL−Ox膜およびポーラスL−Ox膜と比較した。MSQおよびOrganic Polymerのように、炭素を含有している材料を用いた場合のダマシン構造では、銅配線と、キャップ膜であるSiCN膜界面で、薄い酸化銅膜が確認されたのに対し、L−Ox膜層間またはポーラスL−Oxでは酸化銅膜は確認されなかった。この理由として、SiCN膜の成膜前のチャンバー内の熱によりL−Oxから微量の水素が脱離し、この水素がもともとCMP後に存在していた酸化銅層を還元したと考えられる。
【0220】
また、炭素を含有した膜は、SiCN膜の成膜前のチャンバー内の熱では、L−Oxに比較して水素単独のガス量は少なく、炭化水素ガスのデガス量が多いことにより、酸化銅層を十分還元できなかったと予想される。さらに、酸化銅が膜中に存在する場合、これが原因で、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションなどの耐性が悪くなることが予想される。すなわち、炭素含有絶縁膜よりも、L−Ox膜またはポーラスL−Ox膜を層間膜に使用することが好ましい。
【0221】
(第3実施例)
本発明の第3実施例は、MF法によるデュアルダマシン構造の二層配線にシリコン含有銅配線を適用し、その配線層間絶縁膜に低誘電率層間絶縁膜を適用したことを特徴とする。なお、本実施例の半導体装置の構成については、第2実施例と同様なため、その詳細な説明を省略する。
【0222】
本実施例の半導体装置の製造方法について説明する。
【0223】
図21〜図23は第3実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、第1実施例および第2実施例と同様な工程については、その詳細な説明は省略する。
【0224】
本実施例の半導体装置の製造方法では、まず第2実施例と同様にして第1のシリコン含有銅配線210まで形成する。この際、シリコン濃度は、配線表面で最も高く、底面方向に深くなるにつれて低くなっている。次に、第2実施例と同様にしてSiCN膜211、異層間絶縁膜であるSiO2膜212までを順に形成する。さらに、その上に第2のエッチングストッパー膜としてSiCN膜213を50nm形成する(図21(a))。
【0225】
次に、その第2のエッチングストッパー膜であるSiCN膜213のみビアのパターンにエッチングするため、フォトレジスト214を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジスト214にビア用レジストパターン215を形成する(図21(b))。
【0226】
次に、そのフォトレジスト214をマスクにして、ドライエッチング技術によりSiCN膜213をエッチングする。その後、O2ドライアッシングおよびウェット剥離を行い、フォトレジスト214およびエッチング残渣を除去する。次に、第2溝配線の層間絶縁膜としてL−Ox膜216を300nm塗布・焼成し、その上にSiO2膜217を100nm成膜する(図21(c))。次に、フォトレジスト218を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジスト218に第2溝配線用レジストパターン219を形成する(図22(d))。
【0227】
次に、ドライエッチング技術により、フォトレジスト218をマスクにして、第2溝配線の層間絶縁膜であるSiO2膜217とL−Ox膜216、そして、ビア形状のパターンが形成された第2のエッチングストッパー膜であるSiCN膜213をエッチングマスクにして、異層間絶縁膜のSiO2膜212をエッチングし、第1のシリコン含有銅配線210上のSiCN膜211上で止めた。その後、O2ドライアッシングによりフォトレジスト218を除去したのち、エッチバックを行い、第1のシリコン含有銅配線210上のSiCN膜211および第2のエッチングストッパー膜のSiCN膜213を除去する。その後、ウェット剥離を行いエッチング残渣の除去を行った(図22(e))。
【0228】
このとき、ビア底部では第2実施例で述べたのと同様に、SiO2膜212のエッチング工程でSiCN膜211が抜けてしまったビアでは、ビア底の銅配線がさらに酸化もしくは腐食されてしまうが、シリコン含有銅配線の場合、電気陰性度の違いから、シリコンが先に酸化され、安定なSiO2膜が自己整合的に形成されるので、銅の酸化および腐食は防止される。
【0229】
その後、ビア底の自己整合的に形成されたSiO2膜をバリアスパッタ前のRFエッチング処理により除去し、大気に曝さずに、スパッタリング法により、Ta/TaN膜220を30nm成膜し、Ta/TaN膜220の上にシード用のCu膜221を100nm成膜する。しかる後に、電解メッキ法によりCu膜221を700nm成膜する(図22(f))。次に、図23(g)に示すように、CMP法により、第2の銅溝配線とビアプラグを形成する。
【0230】
次に、第1の銅溝配線と同様にして、BTA層を除去しSiH4を照射することにより第2のシリコン含有銅配線223を形成し、Cu拡散防止膜としてSiCN膜222を膜厚50nm成膜した(図23(h))。この際、シリコン濃度は、配線表面で最も高く、底面方向に深くなるにつれて低くなっている。
【0231】
なお、本実施例によるMF法の場合、エッチングストッパー膜であるSiCN膜にフォトリソグラフィー工程を行う必要があるが、SiCN膜は表面が疎水性であるため塗布膜である反射防止膜の濡れ性が悪く塗布ムラが発生しやすいこと、SiCN膜上の反射防止膜を除去する際にSiCN膜がエッチングのダメージを受けることなどから反射防止膜を使用できない。また、第2溝配線のフォトリソグラフィー工程において、エッチングストッパー膜のエッチング段差部に反射防止膜が厚く堆積されて、ドライエッチング工程で支障をきたすことから、第2溝配線のフォトリソグラフィー工程でも反射防止膜を使用できない。このため、従来の銅配線では、下層からのCu膜の反射を抑えられず、ビアの焦点深度(DOF:Depth of Focus)の低下を招き、問題となっていた。しかし、本実施例にて形成されたシリコン含有銅配線は、従来の銅配線と比較してフォトリソグラフィー工程における反射防止効果が高いことから、MF法におけるエッチングストッパー膜のフォトリソグラフィー工程を改善し、製品歩留まり、信頼性を向上できる。
【0232】
ここで、シリコン含有量と反射率との関係について説明する。
【0233】
図24はシリコン含有濃度と反射率との関係を示すグラフである。なお、反射率測定には、標準サンプルとしてシリコンを含有しないCu膜を用い、シリコンを含有させたサンプルとして種々の膜厚のCu膜に同じ量のシリコンを含有させたものを用いた。測定は、波長260nmのレーザーを照射した際に得られる反射率を分光光度計を用いて行った。
【0234】
図24に示すグラフから、シリコンを含有しない銅表面の反射率は32%であるが、シリコン含有率の上昇と共に反射率は低下し、シリコン含有率0.05%程度では反射率は2%まで低下した。また、それ以上シリコンを含有させても反射率はほとんど変化しなかった。この結果から、シリコン含有率が0.05%以上あれば、効果があることが分かった。
【0235】
なお、上記第2実施例および本実施例において、溝の形成方法として層間絶縁膜のドライエッチング後、O2ドライアッシングによるレジスト除去を行ってからSiCN膜のエッチバックを行い、それからウェット剥離によるエッチング残渣除去を行っているが、層間絶縁膜のドライエッチング後、O2ドライアッシングとウェット剥離によるレジスト除去とエッチング残渣除去を行ってから、SiCN膜をエッチバックしてもよい。
【0236】
(第4実施例)
本発明の第4実施例は、TF法によるデュアルダマシン構造の二層配線にシリコン含有銅配線を適用し、その配線層間絶縁膜に低誘電率層間絶縁膜を適用したことを特徴とする。なお、本実施例の半導体装置の構成については、第2実施例と同様なため、その詳細な説明を省略する。
【0237】
本実施例の半導体装置の製造方法について説明する。
【0238】
図25〜図27は第4実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、第1乃至3実施例と同様な工程については、その詳細な説明は省略する。
【0239】
本実施例の半導体装置の製造方法では、まず第2実施例と同様にして第1のシリコン含有銅配線210まで形成する。この際、シリコン濃度は、配線表面で最も高く、底面方向に深くなるにつれて低くなっている。次に、第2実施例と同様にしてSiCN膜211、異層間絶縁膜であるSiO2膜212までを順に形成する。さらに、その上に第2のエッチングストッパー膜としてSiCN膜213を50nm形成する。
【0240】
次に、その上に第2溝配線の層間絶縁膜としてL−Ox膜216を300nm塗布・焼成し、その上にSiO2膜217を100nm成膜する。次に、反射防止膜225とフォトレジスト218を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジスト218に第2溝配線用レジストパターン219を形成する(図25(a))。
【0241】
次に、ドライエッチング技術により、フォトレジスト218をマスクにして、第2溝配線の層間絶縁膜であるSiO2膜217とL−Ox膜216をエッチングする。次に、O2ドライアッシングとウェット剥離によりフォトレジスト218、反射防止膜225、およびエッチング残渣を除去する(図25(b))。次に、全面エッチバックにより、第2のエッチングストッパー膜のSiCN膜213を除去する(図25(c))。
【0242】
次に、フォトレジスト214を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジスト214にビア用レジストパターン215を形成する(図26(d))。
【0243】
次に、ドライエッチング技術により、フォトレジスト214をマスクにして、異層間絶縁膜のSiO2膜212をエッチングし、第1のシリコン含有銅配線210上のSiCN膜211上で止めた。その後、O2ドライアッシングによりフォトレジストを除去する(図26(e))。次に、第1のシリコン含有銅配線210上のSiCN膜211をエッチバックした。その後、ウェット剥離を行い、エッチング残渣の除去を行った(図26(f))。
【0244】
このとき、ビア底部では第3実施例で述べたのと同様に、SiO2膜212のエッチング工程でSiCN膜211が抜けてしまったビアでは、ビア底の銅配線がさらに酸化または腐食されてしまうが、シリコン含有銅配線の場合、電気陰性度の違いから、シリコンが先に酸化され、安定なSiO2膜224が自己整合的に形成されるので、銅の酸化および腐食は防止される。
【0245】
その後、ビア底の自己整合的に形成されたSiO2膜224をバリアスパッタ前のRFエッチング処理により除去し、大気に曝さずに、スパッタリング法により、Ta/TaN膜220を30nm成膜し、Ta/TaN膜220の上にシード用のCu膜221を100nm成膜する。しかる後に、電解メッキ法によりCu膜221を700nm成膜する(図27(g))。次に、図27(h)に示すように、CMP法により、第2の銅溝配線とビアプラグを形成する。
【0246】
次に、第1の銅溝配線と同様にして、BTA層を除去しSiH4を照射することにより第2のシリコン含有銅配線223を形成し、Cu拡散防止膜としてSiCN膜222を膜厚50nm成膜した(図27(i))。この際、シリコン濃度は、配線表面で最も高く、底面方向に深くなるにつれて低くなっている。
【0247】
なお、本実施例によるTF法の場合、第2溝配線の溝部を形成した後、ビアのフォトリソグラフィー工程を行う必要があるが、反射防止膜を用いると配線溝部分が反射防止膜により埋め込まれ、下層の異層間絶縁膜であるSiO2膜がエッチングできなくなるため反射防止膜を使用できない。このため、従来の銅配線では、下層からのCu膜の反射を抑えられず、ビアのDOFの低下を招き、問題となっていた。しかし、本実施例にて形成されたシリコン含有銅配線は、従来の銅配線と比較してリソグラフィー工程における反射防止効果が高いことから、TF法におけるビアのリソグラフィー工程を改善し、製品歩留まり、信頼性を向上することができる。
【0248】
また、上記第2実施例から本実施例までについて、エッチングストッパー膜を用いているが、エッチングストッパー膜の上層膜のエッチング工程で、下層膜までエッチングしないように処理時間を制御することで、エッチングストッパー膜を省略しても良い。エッチングストッパー膜を省略することにより、配線間容量を低減することができる。
【0249】
(第5実施例)
本発明の第5実施例は、シングルダマシン構造の二層配線にシリコン含有銅配線を適用し、その配線層間絶縁膜に低誘電率層間絶縁膜を適用したことを特徴とする。
【0250】
第5実施例の構成について説明する。
【0251】
図28は本実施例の半導体装置の構造を示す断面図である。
【0252】
図28に示すように、本実施例の半導体装置は、第1のシリコン含有銅配線210がシリコン含有銅プラグ228を介して第2のシリコン含有銅配線223に接続された構成である。
【0253】
第1のシリコン含有銅配線210は積層膜に形成された溝部に設けられている。その溝部は、半導体基板(不図示)上に成膜された下地絶縁膜201、SiCN膜202、L−Ox膜203およびSiO2膜204からなる積層膜に形成されている。第1のシリコン含有銅配線210の側面と底面はTa/TaN膜208に覆われている。
【0254】
シリコン含有銅プラグ228は、SiO2膜204上のSiCN膜211およびSiO2膜212からなる積層膜に形成された孔部に設けられている。その孔部の側面と底面はTa/TaN膜226に覆われている。
【0255】
第2のシリコン含有銅配線223は積層膜に形成された溝部に設けられている。その溝部は、SiCN膜213、L−Ox膜216およびSiO2膜217からなる積層膜に形成されている。第2のシリコン含有銅配線223の側面と底面はTa/TaN膜220に覆われ、第2のシリコン含有銅配線223の上面にはSiCN膜222が形成されている。
【0256】
なお、第1のシリコン含有銅配線210、シリコン含有銅プラグ228および第2のシリコン含有銅配線223の他、不図示のトランジスタ、ダイオード、抵抗、およびキャパシタなどから半導体装置が構成される。
【0257】
次に、本実施例の半導体装置の製造方法について説明する。
【0258】
図29〜図32は第5実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、第1乃至4実施例と同様な工程については、その詳細な説明は省略する。
【0259】
本実施例の半導体装置の製造方法では、まず第2実施例と同様にして第1のシリコン含有銅配線210まで形成する。この際、シリコン濃度は、配線表面で最も高く、底面方向に深くなるにつれて低くなっている。
【0260】
次に、第2実施例と同様にしてSiCN膜211、異層間絶縁膜であるSiO2膜212までを順に形成する(図29(a))。
【0261】
次に、成膜したSiO2膜212上に反射防止膜225とフォトレジスト214を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、ビア用レジストパターン215を形成する(図29(b))。
【0262】
さらに、ドライエッチング技術によりビア用レジストパターンからSiO2膜212をエッチングして、ビア用パターンを形成する。その後、O2ドライアッシングを行い、フォトレジスト214と反射防止膜225を除去する(図29(c))。次に、ビア底のSiCN膜211をエッチバックする。次に、ウェット剥離によりエッチング残渣を除去する(図29(d))。
【0263】
このとき、ビアエッチング工程ではSiCN膜211が抜けてしまったビア底の銅配線がさらに酸化もしくは腐食されてしまうが、シリコン含有銅配線の場合、電気陰性度の違いから、シリコンが先に酸化され、安定なSiO2膜224が自己整合的に形成されるので、銅の酸化および腐食は防止される。
【0264】
その後、ビア底の自己整合的に形成されたSiO2膜224をバリアスパッタ前のRFエッチング処理により除去し、大気に曝さずに、スパッタリング法により、Ta/TaN膜226を30nm成膜し、Ta/TaN膜226の上にシード用のCu膜227を100nm成膜する。その後、電解メッキ法によりCu膜227を700nm成膜し、ビアパターンに埋め込んでから、結晶化のために400℃の熱処理を行う(図30(e))。
【0265】
次に、SiO2膜212上のCu膜227およびTa/TaN膜226をCMP法により除去し、さらにBTA溶液による表面処理を行うことによりCu表面がBTA層で酸化防止処理された銅ビアプラグを形成した(図30(f))。
【0266】
次に、第2実施例で第1のシリコン含有銅配線210を形成した際と同じ工程によりシリコン含有銅プラグ228を形成し、第2のCu拡散防止膜としてSiCN膜213を50nm成膜する(図30(g))。
【0267】
次に、第2の層間絶縁膜としてL−Ox膜216を300nm塗布・焼成し、その上にSiO2膜217を100nm成膜する。次に、反射防止膜225とフォトレジスト218を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジスト218に第2溝配線用レジストパターン219を形成する(図31(h))。
【0268】
次に、ドライエッチング技術により、フォトレジスト218をマスクにして、第2溝配線の層間絶縁膜であるSiO2膜217とL−Ox膜216をエッチングする。次に、O2ドライアッシングによりフォトレジスト218と反射防止膜225を除去する。次に、全面エッチバックにより、第2のCu拡散防止膜のSiCN膜213を除去する。次に、ウェット剥離によりエッチング残渣を除去する(図31(i))。
【0269】
このとき、第2溝配線の底部ではビアエッチング工程と同様に、ドライエッチング工程でSiCN膜が抜けてしまいビアプラグが露出していると、酸化もしくは腐食されてしまうが、シリコン含有銅プラグの場合、電気陰性度の違いから、シリコンが先に酸化され、安定なSiO2膜が自己整合的に形成されるので、銅の酸化および腐食は防止される。
【0270】
その後、ビアプラグ上面に自己整合的に形成されたSiO2膜をバリアスパッタ前のRFエッチング処理により除去し、大気に曝さずに、スパッタリング法により、Ta/TaN膜220を30nm成膜し、Ta/TaN膜220の上にシード用のCu膜221を100nm成膜する。次に、電解メッキ法によりCu膜221を700nm成膜する(図31(j))。次に、CMP法により、第2の銅溝配線を形成し、BTA溶液による表面処理を行った(図32(k))。
【0271】
次に、第1のシリコン含有銅配線210およびシリコン含有銅プラグ228と同様にして、BTA層を除去し、SiH4を照射することにより第2のシリコン含有銅配線223を形成し、Cu拡散防止膜としてSiCN膜222を膜厚50nm成膜する(図32(l))。この際、シリコン濃度は、配線表面で最も高く、底面方向に深くなるにつれて低くなっている。
【0272】
上述のように、本実施例にて形成された配線は、配線全体にシリコンを拡散させ、シリコン含有金属配線を形成することにより、最表面のみにシリサイド層を形成する場合よりも、金属配線の金属粒子の移動を抑制する効果が向上できる。
【0273】
また、本実施例にて形成されたシリコン含有銅配線は、電気陰性度の違いから、シリコンが先に酸化され、安定なSiO2が自己整合的に形成されるので、エッチング工程における銅の酸化および腐食が防止できるため、純銅配線よりも製品歩留まりが向上できる。
【0274】
さらに、本実施例では、シングルダマシン構造により、第1溝配線、第2溝配線およびビアプラグのそれぞれの上面でシリコン濃度が高いシリコン含有銅配線を形成しているため、デュアルダマシン構造でシリコン含有銅配線を形成した場合より、ビア内部でのシリコン濃度を高くできる。
【0275】
ここで、エレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションの耐性評価の結果を説明する。
【0276】
図33はエレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションの耐性を評価した結果を示すグラフである。
【0277】
図33に示すように、本実施例によるシリコン含有銅配線は、デュアルダマシン構造で形成されたシリコン含有銅配線よりも、エレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションの耐性がさらに向上している。
【0278】
なお、上記第4実施例および本実施例において、溝およびビアの形成方法として層間絶縁膜のドライエッチング後、O2ドライアッシングによるレジスト除去を行ってからSiCN膜のエッチバックを行い、それからウェット剥離によるエッチング残渣除去を行っているが、層間絶縁膜のドライエッチング後、O2ドライアッシングとウェット剥離によるレジスト除去とエッチング残渣除去を行ってから、SiCN膜をエッチバックしてもよい。
【0279】
上記第2実施例から本実施例までについて、異層間絶縁膜にSiO2膜を用いているが、溝配線層間絶縁膜と同様にL−Ox膜とSiO2膜の積層構造を用いてもよい。また、L−Ox膜のマスク絶縁膜としてSiO2膜を用いているが、L−Oxとのエッチング選択性に優れ、O2ドライアッシングおよびウェット剥離液に対する耐性が優れていれば、SiC膜、SiCN膜、およびSiOC膜などの絶縁膜を用いても良い。さらに、低誘電率層間絶縁膜としてL−Oxを用いているが、SiOF膜、SiOC膜、および有機膜などの、SiO2膜より比誘電率が低い絶縁膜であればよい。
【0280】
上記第1実施例から第5実施例について銅配線を用いたが、配線中にAl、Ag(銀)、W(タングステン)、Mg(マグネシウム)、Be(ベリリウム)、Zn(亜鉛)、Pd(パラジウム)、Cd(カドミウム)、Au(金)、Hg(水銀)、Pt(白金)、Zr(ジルコニウム)、Ti(チタン)、Sn(スズ)、Ni(ニッケル)およびFe(鉄)といった異種元素のうち少なくとも一つと合金を形成した銅の合金を含有する金属配線のような、銅に他の金属を含有する配線でもよく、また他の金属の配線にも適用可能である。この場合においても、金属配線におけるエレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションの耐性を低減させることはない。
【0281】
上記第1実施例から第5実施例についてバリアメタルにTa/TaN膜を用いたが、バリアメタルは、Ti、TiN、TiSiN、Ta、TaN、およびTaSiNのうち少なくとも一つ有する構成であればよい。この場合においても、金属配線におけるエレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションの耐性を低減させることはない。
【0282】
また、配線表面に酸化防止膜を形成するためにBTAを用いているが、BTAより溶解度の高いBTA誘導体であってもよい。
【0283】
また、本発明の半導体装置は、銅配線を有する半導体装置であるが、トランジスタ、ダイオード、抵抗およびキャパシタなどを有していなくてもよい。
【0284】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載する効果を奏する。
【0285】
本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン含有金属配線と金属拡散防止膜の密着性がよいため、金属配線の金属粒子を安定化して金属粒子が移動するのを防ぎ、エレクトロマイグレーション耐性が向上する。また、上層に形成される保護膜などの応力による金属配線の断線を防ぎ、ストレスマイグレーションの耐性が向上する。したがって、配線寿命の長い金属配線を形成できる。
【0286】
また、本発明のように、配線全体にシリコンを拡散させシリコン含有金属配線を形成することにより、最表面のみにシリサイド層を形成する場合より、金属配線の金属粒子の移動を抑制する効果が向上し、かつ、シリサイド層を形成するよりも配線全体のシリコン含有量を低くできるため配線抵抗の上昇を抑制できる。
【0287】
また、配線表面だけではなく結晶粒に沿った深さ方向に対してもシリコンを拡散させることができるため、配線底部までシリコンを含有したシリコン含有金属配線を形成できる。
【0288】
また、本発明のシリコン含有銅配線は、エッチング工程における銅の酸化および腐食が防止できる。さらにCuシリサイド層を形成した場合と比較すると膜中にシリコンを拡散させているため、配線表面がエッチングされても、銅の酸化防止効果が高く、エッチングによる配線の劣化を抑制できるため製品の歩留まりを向上できる。
【0289】
また、本発明のシリコン含有銅配線は、リソグラフィー工程における反射防止効果が高いことから、反射防止膜を用いることが出来ないリソグラフィー工程においても、製品歩留まり、信頼性を向上することができる。
【0290】
さらに、金属配線にCu配線を用いることにより、配線サイズが縮小化されても、配線抵抗の上昇が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図2】第1実施例に用いられる平行平板型プラズマCVD装置の構成の一実施例を模式的に示す断面図である。
【図3】第1実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図4】シリコンと銅の状態を示す相図である。
【図5】酸化防止層除去とSiH4処理の処理条件についての実験の結果を示すグラフおよび表である。
【図6】第2実施例の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図7】第2実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図8】第2実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図9】第2実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図10】第2実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図11】本発明のシリコン含有銅配線を半導体基板側よりSIMS分析を行い、銅配線中にシリコンが拡散されていることを示す実験データ図である。
【図12】本発明の第2実施例により形成された製品と従来構造の製品のビアチェーン歩留まりを比較した実験データ図である。
【図13】本発明の第2実施例により形成された製品と従来構造の製品のビアEMを比較した実験データ図である。
【図14】L−Oxの物性データを示す表である。
【図15】L−Oxの構造を示す模式図である。
【図16】FT−IRの観測結果を示すグラフである。
【図17】焼成条件の変化に伴う物性の変動を示すグラフである。
【図18】HSQの構造を示す模式図である。
【図19】本発明のSiH4照射処理時間に対する、HSQとL−Oxの膜厚収縮率変化量、屈折率変化量および比誘電率変化量についての実験データ図である。
【図20】一定量エッチングした後の膜厚測定結果を示す表、および測定点を示す模式図である。
【図21】第3実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図22】第3実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図23】第3実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図24】本発明のシリコン含有銅配線においてシリコン濃度と反射率の関係を調べた実験データ図である。
【図25】第4実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図26】第4実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図27】第4実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図28】第5実施例の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図29】第5実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図30】第5実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図31】第5実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図32】第5実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図33】本発明のシリコン含有銅配線によるデュアルダマシン構造とシングルダマシン構造の製品のビアEMを比較した実験データ図である。
【図34】従来の溝配線の構造の一実施例を示す断面図である。
【図35】従来のVF法の製造工程を示す断面図である。
【図36】従来のVF法の製造工程を示す断面図である。
【図37】従来のVF法の製造工程を示す断面図である。
【図38】従来のVF法により形成された製品について、ビアチェーン歩留まりと第2溝配線のフォトリソグラフィー工程のリワーク回数との関係を示す実験データ図である。
【符号の説明】
1、101、201、301 下地絶縁膜
2、102 SiO2絶縁膜
3、205、214、218、314、318 フォトレジスト
4 溝配線用レジストパターン
5、208、220、226、320 Ta/TaN膜
6 Cu層
7、107 Cu配線
8 シリコン含有Cu配線
9、202、211、213、222、302、311、313、322 SiCN膜
10、110 SiO2層間絶縁膜
11 BTA層
12、112 SiN膜
30 処理室
32 ヒータ
34 排気手段
35 ガス配管
36 ガス供給部
37 ガス流量制御手段
38 コンピュータ
40 上部平板電極
41 下部平板電極
42 高周波発生機
100 半導体基板
105 バリアメタル
204、212、217、304、312、317 SiO2膜
209、221、227、321 Cu膜
203、216 L−Ox
206 第1溝配線用レジストパターン
207 第1溝配線パターン
215、315 ビア用レジストパターン
210 第1のシリコン含有銅配線
219、319 第2溝配線用レジストパターン
223 第2のシリコン含有銅配線
224 自己整合的に形成されたSiO2膜
225、325 反射防止膜
228 シリコン含有銅プラグ
330 第1の銅配線
331 銅の酸化層
332 第2の銅配線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a metal wiring such as a Cu wiring and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In the field of semiconductor device manufacturing, device design rules are being reduced along with the increase in device speed and integration. As devices are reduced in size, the wiring size and the wiring interval are also reduced, so that the wiring resistance and the inter-wiring parasitic capacitance tend to increase. When the wiring resistance and the inter-wiring parasitic capacitance increase, the time constant increases, and a decrease in the signal propagation speed becomes a problem in increasing the device speed.
[0003]
Therefore, as a method for reducing the wiring resistance, techniques and products using Cu (copper), which has a smaller specific resistance than Al (aluminum), which has been widely used as a wiring material, have become widespread. When Cu is used as a wiring material, since it is difficult to finely process Cu by dry etching, conventionally, a groove wiring called a damascene wiring formed by using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method is generally used. Widely used in
[0004]
FIG. 34 is a sectional view showing the structure of a conventional trench wiring.
[0005]
As shown in FIG. 34, the trench wiring is formed on the base insulating film 101 formed on the semiconductor substrate (not shown).2A barrier metal 105 for preventing diffusion of Cu is formed in the groove portion of the insulating film 102, and a Cu wiring 107 whose bottom and side surfaces are covered with the barrier metal 105 is formed. In the structure shown in the figure, the SiN film 112 on the Cu wiring 107 and the upper layer wiring not shown in the figure and SiO for ensuring the insulation of the Cu wiring 107 are shown.2An interlayer insulating film 110 is formed in order.
[0006]
In the process of forming the structure shown in the figure, after the formation of the trench wiring, the SiO wiring is formed on the Cu wiring 107.2When the interlayer insulating film 110 is formed, Cu becomes SiO.2Reacts easily with SiO2Since it diffuses into the film, a SiN film 112 by the plasma CVD method is deposited on the Cu wiring 107 as a Cu diffusion preventing film by about 50 to 150 nm, and then SiO 22An interlayer insulating film 110 is formed.
[0007]
By the way, with the spread of Cu as a wiring material, improvement of electromigration resistance of Cu wiring has been demanded, and as one of the methods for that purpose, the oxidation resistance around Cu wiring is improved. The structure and its method are disclosed in the literature (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). These documents include SiH while heating a Si substrate having Cu wiring.FourCu and SiH exposed to gas atmosphereFourIt has been proposed to improve the electromigration resistance of the Cu wiring by reacting with Si (silicon) in the gas and forming a Cu silicide layer on the surface of the Cu wiring.
[0008]
In addition, when a SiN film is formed as a Cu diffusion prevention film on the Cu wiring, SiH is used as a reaction gas for film formation.FourIt is known that the electromigration (EM) resistance of the Cu wiring is improved by forming a SiN film after forming a Cu silicide layer using a gas.
[0009]
In recent years, in order to further reduce the parasitic capacitance between wirings, it has been studied to use a SiC film or a SiCN film having a relative dielectric constant lower than that of the SiN film 112 instead of the SiN film 112. In recent years, in order to reduce costs and to reduce the resistance of vias serving as connection holes, dual damascene structure wirings in which vias and wirings are simultaneously formed have been studied.
[0010]
Currently, the following three methods are known for forming a wiring with a dual damascene structure. First, after forming a different interlayer insulation film to insulate wires of different layers and a wiring interlayer insulation film to insulate wires of the same layer, first etch the vias, and then groove wiring Is a via first method (hereinafter referred to as VF method) in which vias and wirings are formed. Second, after forming a different interlayer insulating film, a via etching mask insulating film is formed thereon, etched into a via pattern, then a wiring interlayer insulating film is formed, and wiring trench etching is performed. At this time, the middle first method (hereinafter referred to as MF method) is performed in which the wiring trench and the via are simultaneously etched through the mask insulating film for via etching. Third, after forming the different interlayer insulating film and the wiring interlayer insulating film, the trench is first etched, then the via is processed, and the trench first method (hereinafter referred to as the TF method) for forming the via and the wiring. Called).
[0011]
Currently, mainly from the viewpoint of the photoresist process, the VF method is used in the lower wiring portion with many fine wiring structures, and the TF method or MF method is used in the upper wiring layer while the wiring width and via diameter are relatively large. It has been.
[0012]
[Patent Document 1]
JP 2000-150517 A
[Non-Patent Document 1]
1995 IEICE Electronics Society Conference Proceedings 2, Lecture number C-418, pp115-116
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The problems of the conventional trench wiring structure using the above-described SiC film or SiCN film as the Cu diffusion prevention film will be described separately.
[0014]
1. When forming a SiN film as a Cu diffusion prevention film on a Cu wiring, the reaction gas for film formation by the CVD method is SiH.Four, NHThreeAnd N2Is generally used. Therefore, when forming a SiN film, SiH is placed in a processing chamber for film formation in a CVD apparatus.Four, NHThreeAnd N2While the gas is introduced and the temperature of the semiconductor substrate on which the Cu wiring is formed and the pressure in the processing chamber is stabilized, SiH is formed on the Cu wiring.FourAs a result, a Cu silicide layer is formed, and the electromigration resistance of the Cu wiring is improved.
[0015]
However, when a SiC film or a SiCN film is formed as a Cu diffusion preventing film on the Cu wiring, the reaction gas is SiH (CHThree)ThreeAnd Si (CHThree)FourIs widely used, SiHFourIs not used. The Si compound gas containing these organic groups has a bond energy between Si and organic groups larger than the bond energy between Si and H, and the thermal decomposition is SiH.FourLess likely to occur. Therefore, Cu wiring is replaced by SiH (CHThree)ThreeOr Si (CHThree)FourEven when exposed to a gas atmosphere ofFourCompared with the case where it exposes to atmosphere, the reactivity of Cu and Si becomes low. Therefore, when a SiC film or a SiCN film is formed on the Cu wiring, a Cu silicide layer is not easily formed on the Cu surface by a reaction gas for film formation as compared with a case where a SiN film is formed.
[0016]
In addition, if a Cu silicide layer is not formed on the surface of the Cu wiring, the adhesion between the Cu wiring and the SiC film or the SiCN film is lowered, and Cu crystal grains in the Cu wiring cannot be stabilized, and the electromigration of the Cu wiring is not possible. It will lead to deterioration of resistance. Furthermore, the stress migration resistance is also deteriorated, and the Cu wiring is easily disconnected due to the stress of the protective film formed in the upper layer.
[0017]
2. Since the Cu silicide layer has a higher specific resistance than Cu, there is a problem that the wiring resistance is increased. Further, since the Cu silicide layer is formed only on the outermost surface of the copper wiring, when the connection hole with the upper wiring layer is further opened, the Cu silicide layer is removed by etching of the connection hole. In order to improve stress migration, it is necessary to form the Cu silicide layer sufficiently thick. As a result, there is a problem that the wiring resistance further increases.
[0018]
3. Cu wiring to SiHFourWhen a Cu silicide layer is formed by exposure to a gas atmosphere, if the Cu surface is oxidized to form a Cu oxide layer, the Cu oxide layer on the surface reacts with Si to form a mixture of Cu, Si and O Abnormal growth occurs. This abnormal growth not only causes an increase in wiring resistance, but also tends to occur near the interface between Cu and the barrier metal at the upper end of the Cu wiring. appear.
[0019]
4). As a Cu anticorrosion method, a method is known in which a Cu oxide layer and BTA (benzotriazole) are reacted to form a BTA layer on the Cu surface to stop the progress of oxidation. Therefore, after forming the Cu wiring by the CMP method, the oxidation of Cu can be prevented by adding a process of anticorrosion treatment by BTA. However, with the BTA layer still formed, Cu and SiHFourIs also suppressed, so a step of removing the BTA layer is required. Moreover, even if the process of removing the BTA layer is introduced, when the Cu wiring is exposed to the atmosphere after the BTA layer is removed, oxygen in the atmosphere reacts with Cu to form a Cu oxide layer on the surface of the Cu wiring. The Cu oxide layer causes the abnormal growth described above.
[0020]
5. NH is a method for removing the Cu oxide layer.ThreeAnd H2Plasma processing using a reducing gas such as is generally known. However, when such a plasma treatment is used, the oxide layer on the Cu surface can be removed, but it is difficult to remove even the oxide layer formed in the depth direction along the Cu crystal grain interface. In addition, during the plasma treatment, the Cu wiring is heated and hillock growth due to migration proceeds, which causes a problem that the morphology of the Cu wiring surface is deteriorated.
[0021]
Next, in order to explain the problems in forming the damascene structure, a dual damascene forming method by the VF method will be briefly described. 35 to 37 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the two-layer wiring by the dual damascene forming method using the VF method.
[0022]
First, after forming the first copper wiring 330, the Cu diffusion prevention film SiCN film 311 and the different interlayer insulating film SiO2The film 312, the SiCN film 313 which is an etching stopper film, and the SiO which is a second wiring interlayer insulating film2A film 317 is formed, and a via portion photoresist process is performed first (FIG. 35A). Next, etching is performed up to the SiCN film 311 which is a diffusion prevention film provided on the first copper wiring 330, and the via photoresist 314 is changed to O2After removing by dry ashing and wet peeling (FIG. 35B), the antireflection film 325 is embedded in the via, and a photoresist process for the second groove wiring is performed (FIG. 36C), and the second groove is formed. Etch the wiring. After that, the photoresist of the second trench wiring is O2It is removed by dry ashing or wet peeling (FIG. 36D). Subsequently, the SiCN film 311 on the first copper wiring 330 is removed by etch-back, and a connection hole with the lower layer wiring is formed (FIG. 36E). Then, a laminated film (hereinafter referred to as “Ta / TaN film”) in which tantalum (Ta) is formed on tantalum nitride (TaN), and a Cu film 321 are used as a via and a groove for the second groove wiring. At the same time (FIG. 37 (f)), SiO is obtained by CMP.2The Ta / TaN film 320 and the Cu film 321 on the film 317 are removed to form the second copper wiring 332, and the SiCN film 322 is formed (FIG. 37 (g)).
[0023]
6). In the case of the VF method described above, as shown in FIG. 35B, etching is performed up to the SiCN film 311 which is a diffusion prevention film in the via etching process. Due to this problem, it is very difficult to stop the etching of vias with the SiCN film 311 which is a diffusion prevention film in all vias. For this reason, in the via in which the SiCN film 311 that is the diffusion prevention film has been removed during the via etching, the copper wiring at the bottom of the via is formed by the etching of the via and the second groove wiring.2It will be exposed to dry ashing and wet stripping solution, and its surface will be oxidized and corroded to form a copper oxide layer 331, leading to lower yield of vias and lower reliability represented by via EM. become.
[0024]
Furthermore, when rework that is redo due to dimensional deviation or positional deviation is performed in the photolithography process of the second trench wiring, the copper wiring at the bottom of the via becomes O2Exposure to dry ashing and wet stripping solution will lead to oxidation and corrosion of the Cu surface.
[0025]
Here, the relationship between the number of rework in the photolithography process of the second trench wiring and the via chain yield will be described.
[0026]
FIG. 38 is a graph showing the results of evaluating the via chain yield. Note that the via chain used for the evaluation is for calculating the defect rate of the via and has a configuration capable of measuring the via resistance value. When the measured resistance value deviated from a predetermined standard, it was determined that the via had a defect.
[0027]
As shown in FIG. 38, as the number of rework increases, the via chain yield decreases due to oxidation and corrosion of the copper surface in the via. For this reason, rework in the photolithography process leads to a decrease in reliability represented by the via EM. This problem is not limited to the VF method, and is commonly seen when etching the insulating film on the upper layer of the Cu wiring in all the damascene wiring forming methods.
[0028]
7. In general, when etching an interlayer insulating film formed on a copper wiring, in the photolithography process, when the photoresist is exposed, interference due to reflection of the lower copper wiring becomes a problem. A photoresist is applied after an antireflection film for suppressing the above is formed. However, when forming a dual damascene wiring, in the MF method, since the underlying insulating film is subjected to etching damage when the antireflection film is removed, the mask insulating film processing for via etching and the photolithography process for upper layer groove wiring processing are performed. There is a problem that an antireflection film cannot be used. In addition, in the TF method, when the insulating film under the formed wiring groove is etched, the insulating film cannot be etched if the antireflection film is embedded in the wiring groove. Therefore, the antireflection film is formed in the via photolithography process. There is a problem that can not be used.
[0029]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the prior art. For metal wiring such as Cu wiring, the adhesion between the metal wiring and the metal diffusion prevention film is improved, and the metal wiring is improved. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that has a long metal wiring lifetime and suppresses an increase in wiring resistance by improving the electromigration resistance, and a method for manufacturing the same.
[0030]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a metal wiring containing at least one of copper and an alloy of copper whose upper surface is exposed in a groove portion of an insulating film formed on a semiconductor substrate. Forming a step;
On the upper surface of the metal wiring, Containing at least one of benzotriazole and benzotriazole derivativesForming an antioxidant layer;
Removing the antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, silicon is diffused from the upper surface of the metal wiring using inorganic silane gas without exposing the upper surface of the metal wiring to oxygen, thereby forming a silicon-containing metal wiring that does not contain a metal silicide layer. Process,
On the exposed surface of the silicon-containing metal wiring and the insulating film in the sealed processing chamber, Including at least one of SiCN film, SiC film, SiOC film, and organic filmForming a metal diffusion prevention film;
It is what has.
[0031]
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first metal containing at least one of copper and a copper alloy whose upper surface is exposed in the groove portion of the first insulating film formed on the semiconductor substrate. Forming a wiring; and
On the upper surface of the first metal wiring, Containing at least one of benzotriazole and benzotriazole derivativesForming a first antioxidant layer;
Removing the first antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, the first metal wiring does not contain a metal silicide layer by diffusing silicon from the upper surface of the first metal wiring using an inorganic silane gas without exposing the upper surface of the first metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of
An exposed surface of the first silicon-containing metal wiring and the first insulating film in the sealed processing chamber, Including at least one of SiCN film, SiC film, SiOC film, and organic filmForming a first metal diffusion prevention film;
Forming a second insulating film and a third insulating film in order on the first metal diffusion preventing film;
Forming an opening communicating the first metal diffusion prevention film, the second insulating film, and the third insulating film until the upper surface of the first metal wiring is exposed;
Forming a first groove connected to the opening in the third insulating film;
A metal embedded in the opening and the first groove, a second metal wiring containing at least one of copper and a copper alloy formed in the first groove, and the first metal wiring; Forming a via plug containing at least one of copper and a copper alloy for connecting
On the upper surface of the second metal wiring, Containing at least one of benzotriazole and benzotriazole derivativesForming a second antioxidant layer;
Removing the second antioxidant layer by heating in the sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, a silicon silicide layer is not contained by diffusing silicon using inorganic silane gas from the upper surface of the second metal wiring without exposing the upper surface of the second metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of 2;
An exposed surface of the second silicon-containing metal wiring and the third insulating film in the sealed processing chamber, Including at least one of SiCN film, SiC film, SiOC film, and organic filmForming a second metal diffusion barrier film;
It is what has.
[0032]
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first metal containing at least one of copper and a copper alloy whose upper surface is exposed in the groove portion of the first insulating film formed on the semiconductor substrate. Forming a wiring; and
On the upper surface of the first metal wiring, Containing at least one of benzotriazole and benzotriazole derivativesForming a first antioxidant layer;
Removing the first antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, the first metal wiring does not contain a metal silicide layer by diffusing silicon from the upper surface of the first metal wiring using an inorganic silane gas without exposing the upper surface of the first metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of
An exposed surface of the first silicon-containing metal wiring and the first insulating film in the sealed processing chamber, Including at least one of SiCN film, SiC film, SiOC film, and organic filmForming a first metal diffusion prevention film;
Forming a second insulating film and a third insulating film in order on the first metal diffusion preventing film;
Selectively etching the third insulating film to form a first groove;
Opening that connects the first metal diffusion prevention film, the second insulating film, and the third insulating film and is connected to the first groove until the upper surface of the first metal wiring is exposed. Forming, and
A metal embedded in the first groove and the opening, a second metal wiring containing at least one of copper and a copper alloy formed in the first groove, and the first metal wiring; Forming a via plug containing at least one of copper and a copper alloy for connecting
On the upper surface of the second metal wiring, Containing at least one of benzotriazole and benzotriazole derivativesForming a second antioxidant layer;
Removing the second antioxidant layer by heating in the sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, a silicon silicide layer is not contained by diffusing silicon using inorganic silane gas from the upper surface of the second metal wiring without exposing the upper surface of the second metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of 2;
An exposed surface of the second silicon-containing metal wiring and the third insulating film in the sealed processing chamber, Including at least one of SiCN film, SiC film, SiOC film, and organic filmForming a second metal diffusion barrier film;
It is what has.
[0033]
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first metal containing at least one of copper and a copper alloy whose upper surface is exposed in the groove portion of the first insulating film formed on the semiconductor substrate. Forming a wiring; and
On the upper surface of the first metal wiring, Containing at least one of benzotriazole and benzotriazole derivativesForming a first antioxidant layer;
Removing the first antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, the first metal wiring does not contain a metal silicide layer by diffusing silicon from the upper surface of the first metal wiring using an inorganic silane gas without exposing the upper surface of the first metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of
An exposed surface of the first silicon-containing metal wiring and the first insulating film in the sealed processing chamber, Including at least one of SiCN film, SiC film, SiOC film, and organic filmForming a first metal diffusion prevention film;
Forming a second insulating film and an etching stopper film in order on the first metal diffusion prevention film;
Selectively etching the etching stopper film until the second insulating film is exposed to form a first opening;
Forming a third insulating film on the exposed surfaces of the second insulating film and the etching stopper film;
Forming a first groove in the third insulating film having a width equal to or greater than that of the first opening and connected to the first opening;
A second communicating the first metal diffusion prevention film, the second insulating film, and the third insulating film until the first metal wiring is exposed at a position including the first opening. Forming an aperture;
A second metal containing at least one of copper and a copper alloy formed in the first groove by embedding metal in the first groove, the first opening, and the second opening. Forming a via plug containing at least one of copper and a copper alloy for connecting the metal wiring and the first metal wiring;
On the upper surface of the second metal wiring, Containing at least one of benzotriazole and benzotriazole derivativesForming a second antioxidant layer;
Removing the second antioxidant layer by heating in the sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, a silicon silicide layer is not contained by diffusing silicon using inorganic silane gas from the upper surface of the second metal wiring without exposing the upper surface of the second metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of 2;
An exposed surface of the second silicon-containing metal wiring and the third insulating film in the sealed processing chamber, Including at least one of SiCN film, SiC film, SiOC film, and organic filmForming a second metal diffusion barrier film;
It is what has.
[0034]
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first metal containing at least one of copper and a copper alloy whose upper surface is exposed in the groove portion of the first insulating film formed on the semiconductor substrate. Forming a wiring; and
Forming a first antioxidant layer containing at least one of benzotriazole and a benzotriazole derivative on the upper surface of the first metal wiring;
Removing the first antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber,Forming a first silicon-containing metal wiring not containing a metal silicide layer by diffusing silicon from the upper surface of the first metal wiring using an inorganic silane gas;,
The exposed surface of the first silicon-containing metal wiring and the first insulating film is exposed in the sealed processing chamber without exposing the upper surface of the first metal wiring to oxygen., Including at least one of SiCN film, SiC film, SiOC film, and organic filmForming a first metal diffusion prevention film;
Forming a second insulating film on the first metal diffusion prevention film;
Forming an opening communicating the first metal diffusion prevention film and the second insulating film until the first metal wiring is exposed;
Forming a via plug containing at least one of copper and a copper alloy by embedding a metal in the opening;
Forming a second antioxidant layer containing at least one of benzotriazole and a benzotriazole derivative on the top surface of the via plug;
Removing the second antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
Forming a silicon-containing via plug that does not contain a metal silicide layer by diffusing silicon from the upper surface of the via plug using an inorganic silane gas without exposing the upper surface of the via plug to oxygen in the sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber,On the exposed surfaces of the via plug and the second insulating film, Including at least one of SiCN film, SiC film, SiOC film, and organic filmForming a second metal diffusion barrier film;
Forming a third insulating film on the second metal diffusion preventing film;
Selectively etching the third insulating film until the second insulating film is exposed to form a first groove connected to the via plug;
Forming a second metal wiring containing at least one of copper and a copper alloy by embedding a metal in the first groove portion;
On the upper surface of the second metal wiringA third containing at least one of benzotriazole and a benzotriazole derivativeForming an antioxidant layer;
In the sealed processing chamber,ThirdRemoving the antioxidant layer by heating;
In the sealed processing chamber, a silicon silicide layer is not contained by diffusing silicon using inorganic silane gas from the upper surface of the second metal wiring without exposing the upper surface of the second metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of 2;
In the sealed processing chamber,On the exposed surfaces of the second silicon-containing metal wiring and the third insulating film, Including at least one of SiCN film, SiC film, SiOC film, and organic filmForming a third metal diffusion preventing film;
It is what has.
[0035]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention,The step of forming the second silicon-containing metal wiring not containing the metal silicide layer by diffusing silicon from the upper surface of the second metal wiring using an inorganic silane gas diffuses the silicon into the via plug.It is good as well.
[0037]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention,A step of nitriding the surface of the silicon-containing metal wiring and the exposed insulating film may be included between the step of forming the silicon-containing metal wiring and the step of forming the metal diffusion prevention film. Also,Silicon may be diffused throughout the wiring of the metal wiring, the metal wiring may have the highest silicon concentration on the upper surface, and the metal wiring may have a silicon concentration of 8 atoms% or less.
[0039]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, silicon may be diffused throughout the wiring of the first metal wiring, and the silicon concentration of the first metal wiring may be highest on the upper surface. The first metal wiring may have a silicon concentration of 8 atoms% or less.
[0041]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, silicon may be diffused throughout the second metal wiring, and the second metal wiring may have the highest silicon concentration on the upper surface. The second metal wiring may have a silicon concentration of 8 atoms% or less.
[0043]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the via plug may have the highest silicon concentration on the upper surface, and the via plug may have a silicon concentration of 8 atoms% or less.
[0045]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the insulating film is made of SiO.2, SiOC, and an organic film may be included, and the insulating film may include at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane.
[0046]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the insulating film has a laminated film composed of a lower film and an upper film formed on the lower film,
The underlayer has at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane;
The upper layer film is made of SiO.2It is good also as having.
[0047]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first insulating film is made of SiO.2The first insulating film may include at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane. Also good.
[0048]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first insulating film has a laminated film including a lower film and an upper film formed on the lower film,
The underlayer has at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane;
The upper layer film is made of SiO.2It is good also as having.
[0049]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the third insulating film is made of SiO.2, SiOC, and organic film may be included, and the third insulating film may include at least one of ladder-type hydrogen siloxane and porous ladder-type siloxane siloxane. Also good.
[0050]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the third insulating film has a multilayer film including a lower layer film and an upper layer film formed on the lower layer film,
The underlayer has at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane;
The upper layer film is made of SiO.2It is good also as having.
[0052]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the second insulating film is made of SiO.2, SiOC, and organic film may be included, and the second insulating film includes at least one of ladder-type hydrogenated siloxane and porous ladder-type hydrogenated siloxane. It is good.
[0053]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the second insulating film has a lower layer film and a laminated film formed of an upper layer film formed on the lower layer film,
The underlayer has at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane;
The upper layer film is made of SiO.2It is good also as having.
[0054]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention,,The ladder-type hydrogenated siloxane has a film density of 1.50 g / cm.Three1.58 g / cmThreeThe ladder-type hydrogenated siloxane may have a film refractive index of 1.38 or more and 1.40 or less at a wavelength of 633 nm.
[0055]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the second insulating film may have an etching stopper film. In this case, the etching stopper film may include at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film.
[0060]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the temperature of the step of removing the antioxidant layer may be 250 ° C. or more and 400 ° C. or less, and the temperature of the step of diffusing the silicon is 250 ° C. or more and 400 ° C. It is good also as being below ° C. In this case, the temperature of the step of removing the antioxidant layer and the step of diffusing the silicon may be equal.
[0061]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, SiH is diffused in the step of diffusing the silicon.Four, Si2H6And SiH2Cl2At least one of these gases may be used.
[0062]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention,,The metal wiring may contain hydrogen. Furthermore, the metal wiring may contain carbon.
[0063]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the metal wiring may have a barrier metal.
[0064]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention,,The first metal wiring may contain hydrogen. Furthermore, the first metal wiring may contain carbon.
[0065]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first metal wiring may have a barrier metal.
[0066]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention,,The second metal wiring and the via plug may contain hydrogen. Furthermore, the second metal wiring and the via plug may contain carbon.
[0067]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the second metal wiring and the via plug may have a barrier metal.
[0068]
Furthermore, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the copper alloy includes Al, Ag, W, Mg, Be, Zn, Pd, Cd, Au, Hg, Pt, Zr, Ti, Sn, Ni, and The barrier metal may include at least one of Fe, and the barrier metal may include at least one of Ti, TiN, TiSiN, Ta, TaN, and TaSiN.
[0069]
To achieve the above object, a semiconductor device of the present invention is provided in a groove in a first insulating film formed on a semiconductor substrate, and a first metal wiring in which silicon is diffused,
A first metal diffusion prevention film covering an exposed surface of the first metal wiring;
It is the structure which has.
[0070]
In the semiconductor device of the present invention, the first metal diffusion prevention film and the second insulating film formed on the first metal diffusion prevention film are connected to the top surface of the first metal wiring. Via plugs provided in the
A second metal wiring connected to the via plug and provided in a third insulating film formed on the second insulating film, in which silicon is diffused;
A second metal diffusion prevention film covering an exposed surface of the second metal wiring;
It is good also as having.
[0071]
In this case, a barrier metal that separates the via plug and the second metal wiring may be provided between the via plug and the second metal wiring, and silicon is diffused in the via plug. Also good.
[0072]
In addition, the semiconductor device of the present invention includes a first metal wiring provided in a groove in the first insulating film formed on the semiconductor substrate,
A via plug connected to an upper surface of the first metal wiring and provided in a second insulating film formed on the first insulating film, in which silicon is diffused;
A second metal wiring connected to the via plug and provided in a third insulating film formed on the second insulating film;
It is the structure which has.
[0073]
In this case, the via plug and the second metal wiring may be integrated.
[0074]
In the semiconductor device of the present invention, silicon may be diffused throughout the via plug, the via plug may have the highest silicon concentration on the upper surface, and the via plug may have a silicon concentration of 8 atoms% or less. It may be there.
[0075]
In the semiconductor device of the present invention, the via plug may be a silicon-containing metal via plug that does not contain a metal silicide layer.
[0076]
In the semiconductor device of the present invention, silicon may be diffused throughout the first metal wiring, and the first metal wiring may have the highest silicon concentration on the upper surface. The first metal wiring may have a silicon concentration of 8 atoms% or less.
[0077]
In the semiconductor device of the present invention, the first metal wiring may be a silicon-containing metal wiring that does not contain a metal silicide layer.
[0078]
In the semiconductor device of the present invention, silicon may be diffused throughout the wiring of the second metal wiring, and the second metal wiring may have the highest silicon concentration on the upper surface, The second metal wiring may have a silicon concentration of 8 atoms% or less.
[0079]
In the semiconductor device of the present invention, the second metal wiring may be a silicon-containing metal wiring that does not contain a metal silicide layer.
[0080]
In the semiconductor device of the present invention, the first metal diffusion prevention film may include at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film, and the second metal diffusion prevention film. The film may include at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film.
[0081]
In the semiconductor device of the present invention, the first insulating film is made of SiO.2The first insulating film may include at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane. It is good.
[0082]
In the semiconductor device of the present invention, the first insulating film has a laminated film including a lower layer film and an upper layer film formed on the lower layer film,
The underlayer has at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane;
The upper layer film is made of SiO.2It is good also as having.
[0083]
In the semiconductor device of the present invention, the second insulating film is made of SiO.2, SiOC, and organic film may be included, and the second insulating film includes at least one of ladder-type hydrogenated siloxane and porous ladder-type hydrogenated siloxane. It is good.
[0084]
In the semiconductor device of the present invention, the second insulating film has a laminated film including a lower layer film and an upper layer film formed on the lower layer film,
The underlayer has at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane;
The upper layer film is made of SiO.2It is good also as having.
[0085]
In the semiconductor device of the present invention, the third insulating film is made of SiO.2, SiOC, and organic film may be included, and the third insulating film may include at least one of ladder-type hydrogen siloxane and porous ladder-type siloxane siloxane. Also good.
[0086]
Further, in the semiconductor device of the present invention, the third insulating film has a laminated film composed of a lower layer film and an upper layer film formed on the lower layer film,
The underlayer has at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane;
The upper layer film is made of SiO.2It is good also as having.
[0087]
In the semiconductor device of the present invention, the ladder-type hydrogenated siloxane may be L-Ox, and the ladder-type hydrogenated siloxane has a film density of 1.50 g / cm.Three1.58 g / cmThreeThe ladder-type hydrogenated siloxane may have a film refractive index of 1.38 or more and 1.40 or less at a wavelength of 633 nm.
[0088]
In the semiconductor device of the present invention, the first metal wiring may contain at least one of copper and a copper alloy. In this case, the first metal wiring may contain hydrogen. Furthermore, the first metal wiring may contain carbon.
[0089]
In the semiconductor device of the present invention, the first metal wiring may have a barrier metal.
[0090]
In the semiconductor device of the present invention, the second metal wiring and the via plug may contain at least one of copper and a copper alloy. In this case, the second metal wiring and the via plug may contain hydrogen. Furthermore, the second metal wiring and the via plug may contain carbon.
[0091]
In the semiconductor device of the present invention, the second metal wiring and the via plug may have a barrier metal.
[0092]
Furthermore, in the semiconductor device of the present invention, the copper alloy is selected from Al, Ag, W, Mg, Be, Zn, Pd, Cd, Au, Hg, Pt, Zr, Ti, Sn, Ni, and Fe. The barrier metal may contain at least one, and the barrier metal may include at least one of Ti, TiN, TiSiN, Ta, TaN, and TaSiN.
[0093]
(Function)
In the present invention configured as described above, since silicon is diffused in the metal wiring, the adhesion with the metal diffusion preventing film is improved as compared with the case where silicon is not diffused. Further, since silicon is diffused, migration during the manufacturing process is suppressed. In addition, the resistance to electromigration and stress migration of the wiring is improved. Furthermore, since the metal wiring in which silicon is diffused has high oxidation resistance, deterioration of the wiring surface during etching is suppressed.
[0094]
In the present invention, since silicon is also diffused in the via plug, the effect of suppressing migration during the manufacturing process is further improved. In addition, the resistance to electromigration and stress migration of the wiring is further improved.
[0095]
Further, in the present invention, since the silicon concentration is high on the upper surface of the metal wiring, the adhesion with the metal diffusion prevention film as an upper layer is further improved.
[0096]
Further, in the present invention, since the silicon concentration in the metal wiring is 8 atoms% or less, it is possible to suppress the wiring resistance from becoming larger than that of the silicide layer.
[0097]
In the present invention, the metal wiring is not exposed to the oxygen atmosphere until the metal diffusion prevention film is formed on the metal wiring after the oxidation prevention layer formed on the metal wiring surface is removed. Oxidation of the metal generated along the metal crystal grain interface is suppressed. Therefore, silicon can be diffused not only in the wiring surface but also in the depth direction along the crystal grains, and a silicon-containing metal wiring containing silicon can be formed up to the wiring bottom.
[0098]
In the present invention, since the heat treatment for removing the antioxidant layer is performed in the temperature range of 250 ° C. to 400 ° C., only the wiring surface heated by the plasma in the case of the plasma treatment reacts with silicon. Formation of the silicide layer can be prevented.
[0099]
In the present invention, since the silicon diffusion process is performed in a temperature range of 250 ° C. to 400 ° C., silicon is diffused into the metal wiring without forming a silicide layer on the surface of the metal wiring.
[0100]
Further, in the present invention, since the temperature of the step of removing the antioxidant layer and the step of diffusing silicon are equal, the waiting time until temperature stabilization required when the temperature conditions are different can be reduced. Throughput is improved.
[0101]
In the present invention, the insulating film for insulating the wirings in the same layer contains ladder-type hydrogen siloxane or porous ladder-type hydrogen siloxane, so that the wiring capacity can be reduced as compared with the oxide film. The film density is 1.50 g / cm.Three1.58 g / cmThreeWhen the refractive index of the film at a wavelength of 633 nm is 1.38 or more and 1.40 or less, the dielectric constant is further reduced.
[0102]
In the present invention, since at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film is used for the metal diffusion prevention film, the adhesion between the metal wiring in which silicon is diffused and the metal diffusion prevention film is good.
[0103]
In the present invention, since the etching stopper film is used, over-etching is prevented and the shape of the groove formed for each etching process becomes constant.
[0104]
In the present invention, the insulating film for insulating different wiring layers is made of SiO.2Since at least one of SiOC and organic film is used, the inter-wiring capacitance can be reduced as compared with the nitride film.
[0105]
In the present invention, since at least one of the SiCN film, the SiC film, the SiOC film, and the organic film is used as the etching stopper film, the inter-wiring capacitance can be reduced as compared with the nitride film.
[0106]
In the present invention, since a film containing benzotriazole or a benzotriazole derivative is used, the effect of preventing corrosion of metal is high.
[0107]
In the present invention, since the metal wiring is a wiring containing at least one of copper and a copper alloy, the wiring resistance is reduced and the electromigration resistance is improved.
[0108]
Furthermore, in the present invention, since the metal wiring contains hydrogen, oxidation of the metal wiring is suppressed, and precipitation of metal silicide is prevented.
[0109]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
The configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described.
[0110]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device of the present invention.
[0111]
As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the present embodiment has a silicon-containing copper (Cu) wiring 8 in which silicon is diffused in a Cu wiring, on a base insulating film 1 formed on a semiconductor substrate (not shown). SiO2This is a configuration provided in a groove formed in the insulating film 2. The side and bottom surfaces of the silicon-containing Cu wiring 8 are covered with the Ta / TaN film 5, and the upper surface of the silicon-containing Cu wiring 8 is covered with the SiCN film 9 which is a Cu diffusion preventing film and to ensure insulation between the wiring layers. SiO2Interlayer insulating film 10 is formed in order. In addition to the silicon-containing Cu wiring 8 shown in FIG. 1, a semiconductor device is composed of transistors (not shown), diodes, resistors, capacitors, and the like.
[0112]
Next, a parallel plate type plasma CVD apparatus used for forming the silicon-containing Cu wiring 8 and the SiCN film 9 in the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment will be described. Here, the case where a film is formed over a semiconductor substrate will be described.
[0113]
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of the configuration of the parallel plate type plasma CVD apparatus used in the first embodiment.
[0114]
The plasma CVD apparatus includes a processing chamber 30 for performing a film forming process on the semiconductor substrate 100, a heater 32 for keeping the temperature of the semiconductor substrate 100 placed in the processing chamber 30 constant, and the semiconductor substrate 100. Is supplied to the processing chamber 30, a conveying means (not shown) for carrying out the processing chamber 30, an exhaust means 34 for keeping the pressure in the processing chamber 30 constant, and a plurality of types of reaction gases are supplied to the processing chamber 30. A gas supply unit 36 for generating a high frequency in the processing chamber 30, a heater 32, a conveying unit (not shown), an exhaust unit 34, a gas supply unit 36, and a high frequency generator 42. And a computer 38 to be controlled.
[0115]
The gas supply unit 36 is connected to the processing chamber 30 via a plurality of gas pipes 35 for supplying several kinds of reaction gases and a gas flow rate control means 37.
[0116]
An upper plate electrode 40 and a lower plate electrode 41 are provided opposite to each other in the processing chamber 30, and the upper plate electrode 40 and the lower plate electrode 41 are connected to the high frequency generator 42. The lower plate electrode 41 has the heater 32 built therein. The high frequency generator 42 generates a high frequency of a predetermined frequency and high frequency power (RF power) between the upper plate electrode 40 and the lower plate electrode 41.
[0117]
For example, when the SiCN film 9 is formed by the plasma CVD apparatus having the above configuration, the semiconductor substrate 100 placed on the lower plate electrode 41 is brought to a desired temperature by the heater 32, and the type and flow rate of the reaction gas are adjusted. A plasma of a reactive gas is generated in the processing chamber 30 by applying a desired high-frequency RF power in the processing chamber 30 to a desired processing pressure in a desired gas atmosphere, and the SiCN film 9 is formed on the semiconductor substrate 100. Form.
[0118]
In the plasma CVD apparatus, not only the silicon diffusion for forming the silicon-containing Cu wiring 8 and the film formation of the SiCN film 9 but also the processing conditions such as the gas atmosphere, the processing pressure, the processing temperature, and the RF power are set. By adjusting, the film formed on the semiconductor substrate 100 can be removed. In order to enable removal of a film formed on the semiconductor substrate 100, the plasma CVD apparatus is a single-sheet type that processes the semiconductor substrates 100 one by one.
[0119]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the first embodiment using the plasma CVD apparatus will be described.
[0120]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process procedure of the semiconductor device of the first embodiment.
[0121]
An SiO film having a film thickness of 500 nm is formed by plasma CVD on a base insulating film 1 on a semiconductor substrate (not shown) on which semiconductor elements such as transistors and capacitors are formed.2An insulating film 2 is formed. Deposited SiO2A photoresist 3 is applied on the insulating film 2, and a resist pattern 4 for trench wiring is formed on the photoresist 3 by using a photolithography technique (FIG. 3A).
[0122]
Next, from the trench wiring resist pattern 4 to the SiO 2 by dry etching technique.2Insulating film 2 is etched to form SiO2A trench wiring pattern is formed in the insulating film 2. Thereafter, oxygen plasma treatment is performed.2The photoresist 3 is removed by dry ashing and wet stripping for removing resist residues.
[0123]
Next, as shown in FIG. 3B, the exposed base insulating film 1 and SiO 22A Ta / TaN film 5 having a film thickness of 30 nm is formed on the insulating film 2 as a barrier metal, and a Cu layer serving as a cathode-side underlayer for electrolytic plating is formed on the formed Ta / TaN film 5 with a film thickness of 100 nm. The film is formed by sputtering. Thereafter, the Cu layer 6 is embedded in the groove wiring pattern by electrolytic plating, and then heat treatment at 400 ° C. is performed for crystallization.
[0124]
Subsequently, SiO is obtained by CMP.2The Cu layer 6 and the Ta / TaN film 5 on the insulating film 2 are removed, and a Cu wiring 7 is formed. After the CMP process, when the abrasive grains adhering to the upper surface of the Cu wiring 7 are removed by the cleaning process, a Cu oxide layer is formed on the upper surface of the Cu wiring 7 by the water used for the cleaning process. Thereafter, when the exposed surface of the Cu oxide layer is exposed to a 1% diluted solution of BTA, the BTA and the Cu oxide layer react to form the BTA layer 11 serving as an antioxidant layer (FIG. 3C).
[0125]
In some cases, an unreacted Cu oxide layer may remain in the lower layer of the BTA layer 11, but before forming the BTA layer 11, the Cu oxide layer is reduced to several nm or less by removing the Cu oxide layer with oxalic acid or the like. Can be controlled. In this embodiment, as shown in the figure, the case where the BTA layer 11 is formed on the Cu wiring 7 will be described.
[0126]
Next, in order to remove the BTA layer 11 on the Cu wiring 7 by thermal decomposition, a processing temperature of 250 to 400 ° C., N2Heat treatment is performed for 2 minutes under conditions of a gas flow rate of 100 to 5000 sccm and a processing pressure of 20 Torr or less.
[0127]
Next, in the plasma CVD apparatus, the exposed surface of the Cu wiring 7 from which the Cu oxide layer has been removed is not exposed to oxygen.FourGas flow rate 10-500sccm, N2A heat treatment is performed on the Cu wiring 7 for 120 seconds under conditions of a gas flow rate of 100 to 5000 sccm and a processing pressure of 20 Torr or less to form a silicon-containing Cu wiring 8. Here, when the silicon-containing Cu wiring 8 is formed, SiHFourDepending on the heat treatment conditions, SiO2There is a possibility that Si is deposited on the insulating film 2 and the deposited Si causes a short circuit between the Cu wirings 7. Therefore, after the formation of the silicon-containing Cu wiring 8, NH is exposed in the plasma CVD apparatus without exposing the exposed surface of the silicon-containing Cu wiring 8 to oxygen.ThreeGas flow rate 50-1000sccm, N2Plasma treatment is performed for 3 seconds under conditions of a gas flow rate of 100 to 5000 sccm, a processing pressure of 20 Torr or less, and an RF power of 50 to 500 W, and the silicon-containing Cu wiring 8 and SiO2Si deposited on the surface of the insulating film 2 is nitrided.
[0128]
Next, after the nitriding treatment, without exposing the silicon-containing Cu wiring 8 to oxygen, SiH (CHThree)Three, NHThreeAnd a silicon-containing Cu wiring 8 having a surface of nitrided SiCN film 9 having a film thickness of 50 nm as a Cu diffusion preventing film and a SiO 3 film by a plasma CVD method using a reactive gas of He and SiO2A film is formed on the insulating film 2.
[0129]
Thereafter, SiO 2 as an interlayer insulating film is formed by the plasma CVD apparatus.2An interlayer insulating film 10 is formed on the SiCN film 9 with a film thickness of 500 nm, and an interlayer insulating film on the silicon-containing Cu wiring 8 is formed. (FIG. 3 (d)).
[0130]
For the formation of the silicon-containing Cu wiring 8, the source gas is SiH.FourWas used, but Si2H6And SiH2Cl2Inorganic silane gas such as2In a gas atmosphere that does not contain, and a processing temperature of 250 ° C. to 400 ° C. and a processing pressure of 20 Torr or less.
[0131]
Further, since silicon is diffused in the Cu wiring 7, the adhesion with the upper Cu diffusion preventing film is improved. In order to further improve the adhesion with the Cu diffusion preventing film, it is desirable that the silicon concentration of the silicon-containing Cu wiring 8 is highest on the upper surface of the wiring. Further, in order to suppress an increase in wiring resistance, it is desirable that the silicon concentration in the silicon-containing Cu wiring 8 is 8 atoms% or less.
[0132]
Here, the difference between Cu silicide and silicon-containing Cu wiring will be described.
[0133]
FIG. 4 is a phase diagram showing states of silicon and Cu. From the phase diagram of Cu and Si shown in FIG. 4, Cu silicide is not formed and a silicon-containing Cu layer is formed when the Si content is 92: 8 or less. Wiring by this silicon-containing Cu layer becomes silicon-containing Cu wiring.
[0134]
Next, the difference between the Cu silicide formation method and the silicon-containing Cu film formation method will be described.
[0135]
A method for forming Cu silicide is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-150517 as follows. In this publication, as a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, (a) a step of forming a groove pattern in an interlayer insulating film formed on a semiconductor substrate, and (b) a barrier layer and Cu on the interlayer insulating film are formed. Sequentially forming a film, and (c) planarizing the surface of the Cu film and the exposed surface of the barrier layer by a chemical mechanical polishing method, and embedding the Cu film and the barrier layer in the groove pattern; And (d) performing a heat treatment on the semiconductor substrate in a silane gas atmosphere in a reduced pressure state of 0.1 Torr or less to silicidize the surface of the Cu film. Cu silicide can be easily formed by this method.
[0136]
On the other hand, it is difficult to form a silicon-containing Cu film in which the silicon concentration in Cu is 8 atoms% or less with respect to the Cu silicide by the method disclosed in the above publication. As described above, the method for forming a silicon-containing Cu film in the present invention includes (d) an antioxidant layer on the surface of the Cu film after the steps (a) to (c) of JP-A-2000-150517. A step of forming, (e) a step of performing a heat treatment to remove the antioxidant layer, and (f) a step of performing a heat treatment on the semiconductor substrate in a silane-based gas atmosphere under reduced pressure without being exposed to the oxidizing atmosphere, And forming a silicon-containing Cu film. Hereinafter, the processing conditions of the steps (e) ′ and (f) ′ will be described in detail. SiH as the silane gasFourSiHFourSiH treatment with gasFourThis is called processing.
[0137]
FIG. 5 shows the removal of the antioxidant layer and SiH.FourThe result of the experiment about the process conditions of a process is shown. 5A is a graph showing the heat treatment temperature dependence of Cu silicide deposition, FIG. 5B is a graph showing the heat treatment temperature dependence of BTA desorption, and FIG. It is a table | surface which shows the heat processing temperature dependence of silicon diffusion.
[0138]
The graph of FIG. 5A shows a chamber serving as a processing chamber of the CVD apparatus when BTA is formed on the Cu film as an antioxidation layer of the Cu film (● mark) and when BTA is not formed (□ mark). Heat treatment for removing the anti-oxidation layer in the chamber, and further SiHFourThe number of Cu silicide deposits in the fine Cu wiring part after the processing is shown.
In the experiment, SiHFourMultiple temperature conditions were provided for the treatment. Regarding the temperature range of 200 ° C. to 450 ° C., there were 11 conditions for the sample in which BTA was formed, and 4 conditions for the sample in which BTA was not formed. The number of Cu silicide precipitates was measured with an optical microscope in an observation area having an area of about 500 μm □. The horizontal axis of the graph is SiHFourThe temperature of the treatment, and the vertical axis is the number of Cu silicide precipitates.
[0139]
When BTA is formed as shown in FIG.FourCu silicide deposition did not occur at a treatment temperature of 400 ° C. or lower, and a silicon-containing Cu film could be formed. At 425 ° C. or higher, Cu silicide precipitates were partially generated on the upper surface of the Cu wiring, and at 450 ° C., 2000 or more Cu silicide precipitates were generated. Therefore, when BTA is used, the temperature when the Cu film is exposed to the silane-based gas is preferably 400 ° C. or lower.
[0140]
On the other hand, when BTA is not formed, SiHFourCu silicide was deposited even at a treatment temperature of 250 ° C. Therefore, if an antioxidant layer is not formed on the Cu film, SiHFourIt was found that Cu silicide was formed when the processing temperature was 250 ° C. or higher.
[0141]
FIG. 5B is a graph showing a result of measuring a temperature-programmed desorption spectrum having a mass number of 119 corresponding to BTA by an API-MS method while performing heat treatment on a sample in which BTA is formed on a Cu film. . The horizontal axis of the graph represents the processing temperature, and the vertical axis represents the desorption strength.
[0142]
As shown in FIG. 5 (b), as the processing temperature is increased, BTA desorption begins at 180 ° C. and has a peak at which the desorption intensity is maximum at 250 ° C., and the peak decreases at 270 ° C. or higher. start. From this result, SiH at 180 ° C. or higher where BTA desorption begins.FourSince it was confirmed whether or not silicon diffuses into the Cu film by the treatment, the following will be described.
[0143]
FIG. 5C is a table showing the presence or absence of silicon in the Cu film. As shown in FIG. 5 (c), almost corresponding to the measurement result by the API-MS (Atmospheric Pressure Ion-Mass Spectroscopy) method shown in FIG. 5 (b), in the Cu film at processing temperatures of 200 ° C. and 225 ° C. Although the silicon content in the film was not confirmed, the silicon content in the Cu film was confirmed at 250 ° C. or higher.
[0144]
From the above experimental results, BTA can be sufficiently desorbed if heat treatment is performed at a temperature of 250 ° C. or higher, and SiH having a temperature of 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.FourIn the case of treatment, it is possible to diffuse silicon into the Cu film without depositing Cu silicide.
[0145]
Therefore, when BTA is used for the antioxidant layer, it is preferable to form a BTA layer on the surface of the (d) ′ Cu film after the steps (a) to (c) of JP-A-2000-150517. And (e) a process of removing the antioxidant layer by performing a heat treatment at a temperature of 250 ° C. to 400 ° C. in a chamber of the CVD apparatus, and (f) an oxidizing atmosphere at the same temperature as the “antioxidant layer removing process”. A step of converting the Cu film into a silicon-containing Cu film by subjecting the semiconductor substrate to heat treatment in a silane-based gas atmosphere under reduced pressure without exposure. If the temperatures of the steps (e) ′ and (f) ′ are made equal, the waiting time until temperature stabilization required when the temperature conditions are different can be reduced, and the throughput from oxide layer removal to silicon diffusion is improved. To do.
[0146]
Although not shown here as data, when BTA is used, SiHFourIf plasma treatment using a reducing gas is performed before the treatment, only the surface of the wiring heated by the plasma reacts with silicon, and Cu silicide abnormal precipitation is formed, which is not preferable. SiHFourPerforming plasma treatment using a reducing gas after the gas treatment is not related to Cu silicide deposition, so there is no problem.
[0147]
In the manufacturing process procedure shown in FIG. 3, after the silicon-containing Cu wiring 8 is formed, the silicon-containing Cu wiring 8 and SiO2Although Si deposited on the surface of the insulating film 2 is nitrided by plasma treatment, Si etching may be performed to remove Si precipitation by etching the surface by plasma treatment using He gas or Ar gas. If there is no precipitation, the nitriding treatment and the Si etching treatment may be omitted.
[0148]
Further, although the SiCN film 9 is used as the Cu diffusion preventing film, an SiC film or an organic film may be used. The organic film is, for example, a Teflon organic polymer film or an amorphous carbon film that can be formed by a plasma CVD method.
[0149]
In addition, since the silicon-containing Cu wiring 8 also has an antioxidant effect, an insulating film containing O, such as a SiOC film, may be used instead of the SiC film and the SiCN film as the Cu diffusion preventing film.
[0150]
Further, a heat treatment for removing the BTA layer 11 on the surface of the Cu wiring 7 is performed with N.2Although it is performed in a gas atmosphere, the reaction gas is NHThree, H2, He, Ar and SiHFourAt least one gas and O2The heat treatment may be performed in an atmosphere that does not contain a gas. Furthermore, heat treatment under vacuum may be performed without flowing any gas. In this heat treatment, the BTA layer 11 can be removed if the temperature is 250 ° C. or more and 400 ° C. or less and the pressure is 20 Torr or less.
[0151]
In this example, after the formation of the antioxidant layer on the exposed surface of the Cu oxide layer on the Cu wiring 7, the processing from the removal of the antioxidant layer to the formation of the Cu diffusion prevention film is performed in a sealed processing chamber. Since the Cu wiring and the silicon-containing Cu wiring are not exposed to oxygen, an oxide layer is not formed on the upper surfaces of the Cu wiring and the silicon-containing Cu wiring. Therefore, the adhesion between the silicon-containing Cu wiring 8 and the Cu diffusion preventing film is improved, the Cu particles in the silicon-containing Cu wiring 8 are prevented from moving, and the electromigration resistance is improved. Further, disconnection of the silicon-containing Cu wiring 8 due to stress such as a protective film formed in the upper layer is prevented, and resistance to stress migration is improved. Therefore, a wiring having a long wiring life can be formed.
[0152]
The Cu layer 6 is preferably a hydrogen-containing Cu layer. That is, after the Cu-CMP process which is a CMP process to the Cu layer, the SiH film before the deposition of the SiCN film 9 serving as a barrier insulating film.FourThis is because it is desirable that hydrogen is desorbed from the Cu wiring during the gas exposure. The reason will be described in detail.
[0153]
If there is a small amount of residual oxygen in the plasma CVD apparatus that is the film forming apparatus for the SiCN film 9, oxidation proceeds at the grain interface in the Cu wiring, and SiH after the Cu-CMP treatment.FourWhen exposed to gas, the metal oxide formed unevenly on the surface of the Cu wiring tends to generate Cu silicide precipitates. On the other hand, if the Cu layer contains hydrogen, BTA removal before the formation of the SiCN film after Cu-CMP treatment and SiHFourEven if a small amount of residual oxygen is present in the plasma CVD apparatus, hydrogen is desorbed from the Cu wiring, so that the oxidation of the grain interface in the Cu wiring does not proceed, the surface state of the Cu wiring becomes uniform, and the Cu silicide Thus, a silicon-containing Cu wiring is formed. This applies not only to the Cu layer containing hydrogen but also to the hydrogen-containing Cu alloy layer. The inclusion of hydrogen in the Cu layer could be confirmed as the desorption of a gas having a mass number of 2 by TDS (Temperature Desorption Gas Method). Further, when hydrogen in the Cu layer was analyzed by SIMS (secondary ion mass spectrometry), a count number two orders of magnitude greater than the background level was confirmed.
[0154]
Strictly speaking, in order to improve the embedding property of the Cu layer 6, a Cu plating solution to which an organic component is added (100 ppm or less) is used when the Cu layer 6 is formed. Therefore, a trace amount of carbon is contained in the Cu layer 6, and the Cu layer 6 may be a carbon-containing Cu layer.
[0155]
(Second embodiment)
The second embodiment of the present invention is characterized in that a silicon-containing copper wiring is applied to a dual damascene double-layer wiring by a VF method, and a low dielectric constant interlayer insulating film is applied to the wiring interlayer insulating film.
[0156]
The configuration of the second embodiment will be described.
[0157]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device of this example.
[0158]
As shown in FIG. 6, the semiconductor device of this example has a configuration in which a first silicon-containing copper wiring 210 is connected to a second silicon-containing copper wiring 223 through a via plug.
[0159]
The first silicon-containing copper wiring 210 is provided in a groove formed in the laminated film. The trenches include a base insulating film 201, a SiCN film 202, a ladder oxide hydride (Ladder Oxide film) 203 formed on a semiconductor substrate (not shown), and SiO.2The film 204 is formed in a laminated film. The side and bottom surfaces of the first silicon-containing copper wiring 210 are covered with a Ta / TaN film 208. Hereinafter, Ladder Oxide will be referred to as L-Ox (NEC Electronics Co., Ltd. trademark (pending)).
[0160]
Via plug is SiO2SiCN film 211 and SiO on film 2042It is provided in a hole formed in the laminated film made of the film 212. The side and bottom surfaces of the hole are covered with a Ta / TaN film 220, and the inside thereof is embedded with silicon-containing copper.
[0161]
The second silicon-containing copper wiring 223 is provided in a groove formed in the laminated film. The groove is made of SiO.2Film 212, SiCN film 213, L-Ox film 216, and SiO2The film 217 is formed in a laminated film. A side surface of the second silicon-containing copper wiring 223 is covered with a Ta / TaN film 220, and a SiCN film 222 is formed on the upper surface of the second silicon-containing copper wiring 223.
[0162]
In addition to the first silicon-containing copper wiring 210, the via plug, and the second silicon-containing copper wiring 223, a semiconductor device includes a transistor, a diode, a resistor, a capacitor, and the like (not shown).
[0163]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this example will be described.
[0164]
7 to 10 are cross-sectional views showing the manufacturing steps of the semiconductor device of the second embodiment. Detailed description of the same steps as those in the first embodiment will be omitted.
[0165]
In the manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment, the SiCN film 202 is formed on the base insulating film 201 formed on the substrate having the semiconductor element as the etching stopper film for forming the groove portion of the first groove wiring by the plasma CVD method. To 50 nm. Next, an L-Ox film 203 which is a low dielectric constant interlayer insulating film is formed as an interlayer insulating film of the first copper trench wiring by a coating method to a thickness of 300 nm, and baking at 400 ° C. is performed by N230 minutes in atmosphere.
Next, SiO2A film 204 is formed to a thickness of 100 nm by plasma CVD. Next, the deposited SiO2A first trench wiring resist pattern 206 is formed on the film 204 (FIG. 7A).
[0166]
In addition, the first trench wiring resist pattern is SiO 2 by dry etching technology.2The film 204 and the L-Ox film 203 are etched to form the first groove wiring pattern 207. Then O2The photoresist 205 and the antireflection film 225 are removed by dry ashing (FIG. 7B).
[0167]
Next, the SiCN film 202, which is an etching stopper film, is etched back by dry etching, a conductive surface with the underlying semiconductor element is opened, wet stripping is performed to remove etching residues, and a first groove wiring pattern 207 is formed. To do. Next, a Ta / TaN film 208 is formed as a barrier metal by a 30 nm sputtering method, and then a Cu film 209 is formed on the Ta / TaN film 208 by a sputtering method with a film thickness of 100 nm. Thereafter, a Cu film 209 is formed to a thickness of 700 nm by electrolytic plating, and the first groove wiring pattern 207 is buried, and then N for crystallization.2Heat treatment is performed in an atmosphere at 400 ° C. for 30 minutes (FIG. 7C).
[0168]
Next, SiO2The Cu film 209 and the Ta / TaN film 208 on the film 204 are removed by a CMP method, and further, a surface treatment with a BTA solution is performed to form a first copper trench wiring in which the Cu surface is subjected to an oxidation treatment with a BTA layer. (FIG. 7D).
[0169]
Next, in order to remove the BTA layer on the first copper trench wiring by thermal decomposition, in the same manner as in the first embodiment, a processing temperature of 250 to 400 ° C., N2Heat treatment is performed for 2 minutes under conditions of a gas flow rate of 100 to 5000 sccm and a processing pressure of 20 Torr or less. Further, after removing the BTA layer, the first copper trench wiring is not exposed to oxygen, and the SiHFourGas flow rate 10-500sccm, N2The first copper trench wiring is heat treated for 240 seconds under conditions of a gas flow rate of 100 to 5000 sccm and a processing pressure of 20 Torr or less to form a first silicon-containing copper wiring 210, and a SiCN film 211 as a Cu diffusion prevention film is formed to a thickness of 50 nm. Form a film.
[0170]
Here, the measurement result of the silicon concentration in the first silicon-containing copper wiring 210 is shown. FIG. 11 is a graph showing the silicon concentration in the depth direction of the first silicon-containing copper wiring 210. As shown in FIG. 11, the silicon concentration is highest on the surface of the wiring and decreases as it becomes deeper in the bottom surface direction.
[0171]
Next, SiO2 as an inter-layer insulating film2A SiCN film 213 is deposited to a thickness of 400 nm using the film 212 as an etching stopper film. An L-Ox film 216 is applied and baked thereon as an interlayer insulating film for the second trench wiring, and then SiO 2 is formed thereon.2A film 217 is formed to a thickness of 100 nm. Next, an antireflection film 225 and a photoresist 214 are applied, and a via resist pattern 215 is formed on the photoresist by using a photolithography technique (FIG. 8E).
[0172]
Next, from the via resist pattern 215 to the interlayer insulating film and the different interlayer insulating film are etched by a dry etching technique and stopped on the SiCN film 211 on the first silicon-containing copper wiring 210 (FIG. 8F). )). At this time, if there was a via where etching stopped at the SiCN film 211, there was also a via where the first silicon-containing copper wiring 210 was exposed at the via bottom without stopping etching at the SiCN film 211.
[0173]
Then O2The antireflection film 225, the photoresist 214, and the resist residue are removed by dry ashing and wet peeling. At this time, in the via from which the SiCN film 211 has been removed, the first silicon-containing copper wiring 210 at the bottom of the via is oxidized or corroded. However, in the case of the silicon-containing copper wiring, silicon is different from the difference in electronegativity. First oxidized and stable SiO2Since the film 224 is formed in a self-aligned manner, copper oxidation and corrosion are prevented.
[0174]
Next, an antireflection film 225 is applied and baked, a photoresist 218 is applied, and a resist pattern 219 for second groove wiring is formed on the photoresist using a photolithography technique (FIG. 9G).
[0175]
Subsequently, from the second trench wiring resist pattern 219 by dry etching technology, SiO 22The film 217, the L-Ox film 216, and the antireflection film 225 are etched up to the SiCN film 213 serving as an etching stopper film. Then O2Dry ashing is performed to remove the second trench wiring photoresist 218 and antireflection film 225, etch back is performed, and the SiCN film 211 at the bottom of the via is removed. Next, the etching residue is removed by wet peeling (FIG. 9 (h)). At this time, in the via in which the SiCN film 211 is removed in the via etching process, the first silicon-containing copper wiring 210 at the bottom of the via is further oxidized or corroded. However, as described above, in the case of the silicon-containing copper wiring Because of the difference in electronegativity, silicon is oxidized first, and stable SiO2Is formed in a self-aligned manner, so that copper oxidation and corrosion are prevented.
[0176]
Thereafter, SiO formed in a self-aligned manner at the bottom of the via.2Is removed by RF etching before barrier sputtering, and a Ta / TaN film 220 is deposited to 30 nm by sputtering without being exposed to the atmosphere. A seed Cu film 221 is formed on the Ta / TaN film 220 to a thickness of 100 nm. Film. Thereafter, a Cu film 221 is formed to 700 nm by electrolytic plating (FIG. 9I). Next, as shown in FIG. 10J, a second copper trench wiring and a via plug are formed by CMP.
[0177]
Next, in the same manner as the first copper trench wiring, the BTA layer is removed and SiH is removed.FourTo form a second silicon-containing copper wiring 223, and a SiCN film 222 having a thickness of 50 nm was formed as a Cu diffusion prevention film (FIG. 10 (k)). At this time, as described above, the silicon concentration is highest on the surface of the wiring, and decreases as the depth increases toward the bottom surface.
[0178]
As described above, the silicon-containing copper wiring formed in this example has a stable SiO2 due to the oxidation of silicon first due to the difference in electronegativity.2Is formed in a self-aligned manner, so that oxidation and corrosion of copper in the etching process can be prevented. Furthermore, since silicon is diffused in the film as compared with the case where Cu silicide is formed, even if the wiring surface is etched, the effect of preventing oxidation of copper is high.
[0179]
Next, the evaluation results of the via chain yield of the semiconductor device according to this example will be described.
[0180]
FIG. 12 is a graph showing the evaluation results of the via chain yield by the two-layer wiring.
[0181]
From the graph shown in FIG. 12, it can be seen that a yield better than that of pure copper wiring was obtained as in the case of copper wiring with Cu silicide (hereinafter referred to as silicide copper wiring). An example of the silicide copper wiring is disclosed in US Pat. No. 6,110,844.
[0182]
Next, evaluation results of resistance to electromigration and stress migration will be described.
[0183]
FIG. 13 is a graph showing the results of evaluating the resistance to electromigration and stress migration.
[0184]
From the graph shown in FIG. 13, it can be seen that the silicon-containing copper wiring is one digit higher in resistance to electromigration and stress migration than pure copper wiring and silicide copper wiring.
[0185]
As shown in the above evaluation results, the silicon-containing copper wiring formed in this example forms a silicide layer only on the outermost surface by diffusing silicon throughout the wiring to form a silicon-containing metal wiring. As compared with the case, the effect of suppressing the movement of the metal particles of the metal wiring is improved.
[0186]
Here, the physical properties of the L-Ox will be described.
[0187]
Various low dielectric constant materials can be used as a wiring interlayer insulating film for insulating the wirings of the same layer and a different interlayer insulating film between the lower layer wiring and the upper layer wiring, from the viewpoint of preventing wiring delay, The dielectric constant is preferably 2.9 or less, and the film density is preferably low. For example, the film density is 1.50 g / cmThree1.58 g / cmThreeHereinafter, the refractive index at a wavelength of 633 nm is desirably 1.38 or more and 1.40 or less. Specific examples of such an insulating film material include the above-described L-Ox.
[0188]
FIG. 14 is a table showing physical property data of L-Ox.
[0189]
As shown in FIG. 14, the dielectric constant of L-Ox is 2.9 and the refractive index is 1.39. This indicates that L-Ox is a preferable material for the wiring interlayer insulating film and the different interlayer insulating film. As an insulating film, not only L-Ox is used alone but also SiO.2A laminated film with a film or the like may be used. SiO2This is because the film has a lower dielectric constant than the nitride film.
[0190]
Next, the structure of the ladder type hydrogenated siloxane will be described.
[0191]
FIG. 15 is a schematic diagram showing the structure of L-Ox having a ladder-type hydrogenated siloxane structure. N shown in FIG. 15 is a positive number of 1 or more.
[0192]
L-Ox is a polymer having a ladder-type molecular structure as shown in FIG. Thus, the fact that L-Ox has the structure shown in FIG. 15 will be described using observation results of FT-IR for performing substance identification and qualitative analysis.
[0193]
FIG. 16 is a graph showing the FT-IR observation results.
[0194]
The chart shown in FIG. 16 is characterized by a wave number of about 830 cm.-1Is a spectrum of a sharp Si—H bond appearing in FIG. This steepness of the spectrum suggests that L-Ox has a two-dimensional structure. Also, the wave number 870 cm on the high wave number side of this steep spectrum-1There is what is supposed to be another Si-H bond peak in the vicinity, but this spectrum is extremely small. This is also considered to indicate that the substance to be measured has a two-dimensional structure.
[0195]
Next, the dependency of the physical properties of L-Ox on the firing temperature condition will be described.
[0196]
FIG. 17 is a graph showing changes in physical properties accompanying changes in firing conditions. R. shown by a black circle in FIG. I. Indicates the refractive index at a wavelength of 633 nm, and the white square mark indicates the density. In the experiment, firing was performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen and at a temperature of 200 ° C. to 450 ° C.
[0197]
The refractive index is a parameter that directly affects the dielectric constant, and changes between 1.38 and 1.40. The refractive index showed values exceeding 1.40 at temperatures below 200 ° C. and temperatures above 400 ° C.
[0198]
The density is 1.50 to 1.58 g / cm for L-Ox fired at 200 ° C. or more and 400 ° C. or less.Threeshowed that. At temperatures above 400 ° C., 1.60 g / cmThreeA value exceeding. At a firing temperature exceeding 400 ° C., the increase in density becomes significant.
[0199]
It was not possible to measure below 200 ° C. Below 200 ° C., the wave number is about 3650 cm from the FT-IR chart not shown in the figure.-1The spectrum of the bond assumed to be Si—OH (silanol) appearing in FIG. 6 is observed, and it is considered that Si—OH (silanol) has an influence on the physical properties.
[0200]
As described above, when an insulating film containing L-Ox is formed, L-Ox having excellent characteristics with a low dielectric constant can be stably obtained by firing at an atmospheric temperature of 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. I understand that.
[0201]
Next, a difference in structure between a conventionally known three-dimensional hydrogenated silsesquioxane structure HSQ (Hydrogen Silsesquioxane; hereinafter referred to as HSQ) and L-Ox will be described.
[0202]
FIG. 18 is a schematic diagram showing the molecular skeleton of HSQ (quoted from “semiconductor technology outlook 1998: p. 431-435”).
[0203]
The materials having the above two structures are greatly different in film stability in the manufacturing process, and L-Ox shows remarkably superior film stability. This is thought to be due to the fact that L-Ox has a smaller amount of Si-H reduction than HSQ. It is also considered that this is caused by the difference in the bonding mode of hydrogen atoms in the insulating film. That is, in HSQ, hydrogen atoms are bonded to the corners of the cubic structure, whereas in L-Ox, hydrogen atoms are bonded to the side surfaces of the ladder structure. Therefore, it is considered that HSQ has a lower density around hydrogen atoms, and the hydrogen bond of HSQ has a structure richer in reactivity than L-Ox.
[0204]
Next, the difference in film stability between L-Ox and HSQ will be described.
[0205]
Two types of wiring structures are fabricated using L-Ox and HSQ, and SiHFourWhen the silicon addition process by irradiation was performed, it was confirmed that the film quality tolerances differed greatly. Hereinafter, description will be made based on experimental data.
[0206]
SiHFourIrradiation is performed in a chamber of a plasma CVD apparatus. Irradiation conditions are a processing temperature of 250 to 400 ° C., a processing pressure of 20 Torr or less, and a gas flow rate of SiH.Four= 10 to 500 sccm, N2= 100-5000 sccm. HSQ and L-Ox used in the experiment were baked on a hot plate at about 200 ° C. after coating, and then baked in a diffusion furnace at 350 ° C. for 30 minutes in a diffusion furnace. A wafer was used. The film thickness and refractive index were measured with a spectroscopic ellipsometer. The dielectric constant was calculated using the capacitor value measured with the mercury probe apparatus and the film thickness value measured with the spectroscopic ellipsometer.
[0207]
FIG. 19A shows SiH.FourGraph showing film thickness shrinkage rate change with respect to irradiation time, (b) is SiHFourGraph showing refractive index change with respect to irradiation time, (c) is SiHFourIt is a graph which shows the dielectric constant variation | change_quantity with respect to irradiation time.
[0208]
Regarding the film thickness shrinkage rate, as shown in FIG. 19A, the film thickness of L-Ox is SiH from 0 s to 120 s.FourRegardless of the irradiation time, there was almost no change at 99% of the initial value. On the other hand, the film thickness of HSQ is SiH.FourIt decreased as the irradiation time increased, and decreased to about 80% of the initial value at the irradiation time of 120 s.
[0209]
As for the refractive index change, as shown in FIG. 19B, the refractive index changed from the initial value of 1.39 to 1.42 when irradiated with HSQ for 120 s, as measured at a wavelength of 633 nm. On the other hand, in L-Ox, the refractive index did not change from the initial value of 1.39 from the irradiation time of 0 s to 120 s.
[0210]
As for the change in dielectric constant, as shown in FIG.FourWhen the irradiation process is performed, the initial value increases from 2.9 to 3.4 with 120s irradiation. On the other hand, L-Ox did not change from the initial value of 2.9 even after irradiation for 120 s.
[0211]
From the above results, it can be seen that all of the film thickness, refractive index, and dielectric constant are SiH.FourIt became clear that L-Ox was superior in resistance to irradiation. Such SiHFourThe difference in irradiation treatment resistance is considered to be due to the above-described difference in hydrogen bond reactivity.
[0212]
From the above, SiHFourIn the case of performing irradiation treatment, L-Ox is preferable to HSQ as the interlayer film. In addition, even with porous L-Ox having a dielectric constant of 2.5, this L-Ox is porous.FourIt was confirmed that the resistance of the irradiation treatment was the same as that of L-Ox.
[0213]
Furthermore, since the comparative experiment was carried out about the chemical | medical solution tolerance of L-Ox and HSQ, the result is demonstrated.
[0214]
FIG. 20A is a table showing the film thickness after a certain amount of etching, and FIG. 20B is a schematic diagram showing the measurement position in the wafer. In the experiment, after immersing the wafer in an etching solution composed of ammonium fluoride and diluted HF for a certain period of time, the amount of etching at positions 5 to 5 shown in FIG. 20B was measured. The unit of numerical values in the table is angstrom (× 10-8cm).
[0215]
As shown in FIG. 20, when the etching rates for ammonium fluoride and diluted HF were compared, it was found that L-Ox had a higher etching rate than HSQ.
[0216]
Next, the HSQ film and the L-Ox film are applied to the wiring interlayer insulating film of the actual damascene wiring structure, and SiHFourThe result of the irradiation process will be described.
[0217]
In places where the wiring density is high, the polishing rate of the CMP process is high, so that after the CMP process, the mask SiO2The film was missing or thinned. Therefore, the wiring is SiHFourWhen irradiated, plasma SiO2SiH is also applied to the HSQ film and L-Ox film below the film.FourIrradiation processing will be performed. SiH in the wiring structure of line / space = 0.2 / 0.2 micrometerFourComparing the inter-wiring capacitance with the irradiation treatment, in HSQ, SiO2However, L-Ox reduces SiO2 to 2-3%.2As a result, a sufficient reduction of 8 to 12% was confirmed. Furthermore, in the case of porous L-Ox (k = 2.5), SiO2A reduction of about 15 to 20% with respect to the film was confirmed.
[0218]
From the above, it was confirmed that L-Ox or porous L-Ox is preferable to HSQ in the actual wiring structure.
[0219]
In addition, MSQ (methyl silsesquioxane), which is a material containing carbon, and organic polymer having carbon as a main structure, are also used for an L-Ox film and a porous L-Ox film using an actual damascene structure. Compared with. In a damascene structure using a material containing carbon, such as MSQ and Organic Polymer, a thin copper oxide film was confirmed at the interface between the copper wiring and the SiCN film as the cap film, whereas L No copper oxide film was observed between the -Ox film layers or porous L-Ox. This is probably because a small amount of hydrogen was desorbed from L-Ox by the heat in the chamber before the SiCN film was formed, and this hydrogen reduced the copper oxide layer originally present after CMP.
[0220]
In addition, the carbon-containing film has a smaller amount of hydrogen alone and a larger amount of hydrocarbon gas degas than L-Ox in the heat in the chamber before the SiCN film is formed. It is expected that the layer could not be reduced sufficiently. Furthermore, when copper oxide is present in the film, it is expected that the resistance to electromigration, stress migration, and the like will deteriorate due to this. That is, it is preferable to use an L-Ox film or a porous L-Ox film as an interlayer film rather than a carbon-containing insulating film.
[0221]
(Third embodiment)
The third embodiment of the present invention is characterized in that a silicon-containing copper wiring is applied to a two-layer wiring having a dual damascene structure by the MF method, and a low dielectric constant interlayer insulating film is applied to the wiring interlayer insulating film. The configuration of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that of the second embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.
[0222]
A method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described.
[0223]
21 to 23 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device of the third embodiment. Detailed description of the same steps as those in the first and second embodiments will be omitted.
[0224]
In the method of manufacturing the semiconductor device according to this embodiment, first, the first silicon-containing copper wiring 210 is formed in the same manner as in the second embodiment. At this time, the silicon concentration is highest on the surface of the wiring, and decreases as it deepens in the bottom direction. Next, in the same manner as in the second embodiment, the SiCN film 211 and SiO which is a different interlayer insulating film are used.2The layers up to the film 212 are formed in order. Further, a SiCN film 213 having a thickness of 50 nm is formed thereon as a second etching stopper film (FIG. 21A).
[0225]
Next, in order to etch only the SiCN film 213 as the second etching stopper film into a via pattern, a photoresist 214 is applied, and a via resist pattern 215 is formed in the photoresist 214 by using a photolithography technique. (FIG. 21 (b)).
[0226]
Next, using the photoresist 214 as a mask, the SiCN film 213 is etched by a dry etching technique. Then O2Dry ashing and wet stripping are performed to remove the photoresist 214 and etching residues. Next, an L-Ox film 216 is applied and baked as an interlayer insulating film of the second trench wiring, and then SiO 2 is deposited thereon.2A film 217 is formed to a thickness of 100 nm (FIG. 21C). Next, a photoresist 218 is applied, and a second trench wiring resist pattern 219 is formed on the photoresist 218 by using a photolithography technique (FIG. 22D).
[0227]
Next, by dry etching technique, using the photoresist 218 as a mask, the interlayer insulating film of the second trench wiring is SiO.2Using the film 217, the L-Ox film 216, and the SiCN film 213, which is the second etching stopper film in which the via-shaped pattern is formed, as the etching mask, the SiO 2 film of the different interlayer insulating film2The film 212 was etched and stopped on the SiCN film 211 on the first silicon-containing copper wiring 210. Then O2After the photoresist 218 is removed by dry ashing, etch back is performed to remove the SiCN film 211 on the first silicon-containing copper wiring 210 and the SiCN film 213 as the second etching stopper film. Thereafter, wet peeling was performed to remove etching residues (FIG. 22E).
[0228]
At this time, at the bottom of the via, as described in the second embodiment, SiO 22In the via in which the SiCN film 211 is removed in the etching process of the film 212, the copper wiring at the bottom of the via is further oxidized or corroded. However, in the case of the silicon-containing copper wiring, the silicon is first due to the difference in electronegativity. Oxidized and stable SiO2Since the film is formed in a self-aligned manner, copper oxidation and corrosion are prevented.
[0229]
Thereafter, SiO formed in a self-aligned manner at the bottom of the via.2The film is removed by RF etching before barrier sputtering, and a Ta / TaN film 220 is formed to 30 nm by sputtering without being exposed to the atmosphere. A seed Cu film 221 is formed on the Ta / TaN film 220 to a thickness of 100 nm. Form a film. Thereafter, a Cu film 221 is formed to 700 nm by electrolytic plating (FIG. 22F). Next, as shown in FIG. 23G, a second copper trench wiring and a via plug are formed by CMP.
[0230]
Next, in the same manner as the first copper trench wiring, the BTA layer is removed and SiH is removed.FourTo form a second silicon-containing copper wiring 223, and a SiCN film 222 having a thickness of 50 nm was formed as a Cu diffusion preventing film (FIG. 23 (h)). At this time, the silicon concentration is highest on the surface of the wiring, and decreases as it deepens in the bottom direction.
[0231]
In the case of the MF method according to the present embodiment, it is necessary to perform a photolithography process on the SiCN film which is an etching stopper film. However, since the surface of the SiCN film is hydrophobic, the wettability of the antireflection film which is a coating film is high. The antireflection film cannot be used because the coating unevenness easily occurs and the SiCN film is damaged by etching when the antireflection film on the SiCN film is removed. Further, in the second groove wiring photolithography process, a thick antireflection film is deposited on the etching step portion of the etching stopper film, which hinders the dry etching process. Therefore, the second groove wiring photolithography process also prevents reflection. The membrane cannot be used. For this reason, in the conventional copper wiring, reflection of the Cu film from the lower layer cannot be suppressed, and the depth of focus (DOF: Depth of Focus) of the via is lowered, which is a problem. However, since the silicon-containing copper wiring formed in this example has a higher antireflection effect in the photolithography process than the conventional copper wiring, the photolithography process of the etching stopper film in the MF method is improved. Product yield and reliability can be improved.
[0232]
Here, the relationship between the silicon content and the reflectance will be described.
[0233]
FIG. 24 is a graph showing the relationship between the silicon-containing concentration and the reflectance. In the reflectance measurement, a Cu film not containing silicon was used as a standard sample, and samples containing silicon with various amounts of Cu were used as samples containing silicon. The measurement was performed using a spectrophotometer for the reflectance obtained when a laser having a wavelength of 260 nm was irradiated.
[0234]
From the graph shown in FIG. 24, the reflectance of the copper surface not containing silicon is 32%, but the reflectance decreases as the silicon content increases, and the reflectance is up to 2% when the silicon content is about 0.05%. Declined. Further, the reflectance hardly changed even when silicon was further contained. From this result, it was found that if the silicon content is 0.05% or more, there is an effect.
[0235]
In the second embodiment and the present embodiment, as a method of forming the groove, after dry etching of the interlayer insulating film, O2After removing the resist by dry ashing, the SiCN film is etched back, and then etching residues are removed by wet stripping.2The SiCN film may be etched back after resist removal and etching residue removal by dry ashing and wet stripping.
[0236]
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment of the present invention is characterized in that a silicon-containing copper wiring is applied to a two-layer wiring having a dual damascene structure by the TF method, and a low dielectric constant interlayer insulating film is applied to the wiring interlayer insulating film. The configuration of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that of the second embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.
[0237]
A method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described.
[0238]
25 to 27 are cross-sectional views showing the manufacturing steps of the semiconductor device of the fourth embodiment. Detailed description of steps similar to those in the first to third embodiments will be omitted.
[0239]
In the semiconductor device manufacturing method of this embodiment, first, the first silicon-containing copper wiring 210 is formed in the same manner as in the second embodiment. At this time, the silicon concentration is highest on the surface of the wiring, and decreases as it deepens in the bottom direction. Next, in the same manner as in the second embodiment, the SiCN film 211 and SiO which is a different interlayer insulating film are used.2The layers up to the film 212 are formed in order. Further, an SiCN film 213 having a thickness of 50 nm is formed thereon as a second etching stopper film.
[0240]
Next, an L-Ox film 216 is applied and baked as an interlayer insulating film of the second groove wiring thereon, and then SiO 2 is deposited thereon.2A film 217 is formed to a thickness of 100 nm. Next, an antireflection film 225 and a photoresist 218 are applied, and a second groove wiring resist pattern 219 is formed on the photoresist 218 by using a photolithography technique (FIG. 25A).
[0241]
Next, by dry etching technique, using the photoresist 218 as a mask, the interlayer insulating film of the second trench wiring is SiO.2The film 217 and the L-Ox film 216 are etched. Next, O2The photoresist 218, the antireflection film 225, and the etching residue are removed by dry ashing and wet peeling (FIG. 25B). Next, the SiCN film 213 as the second etching stopper film is removed by the entire surface etch back (FIG. 25C).
[0242]
Next, a photoresist 214 is applied, and a via resist pattern 215 is formed on the photoresist 214 by using a photolithography technique (FIG. 26D).
[0243]
Next, by dry etching technique, using the photoresist 214 as a mask, the interlayer insulating film SiO 22The film 212 was etched and stopped on the SiCN film 211 on the first silicon-containing copper wiring 210. Then O2The photoresist is removed by dry ashing (FIG. 26E). Next, the SiCN film 211 on the first silicon-containing copper wiring 210 was etched back. Thereafter, wet peeling was performed to remove etching residues (FIG. 26 (f)).
[0244]
At this time, at the bottom of the via, as described in the third embodiment, SiO 22In the via in which the SiCN film 211 is removed in the etching process of the film 212, the copper wiring at the bottom of the via is further oxidized or corroded. However, in the case of the silicon-containing copper wiring, the silicon is first due to the difference in electronegativity. Oxidized and stable SiO2Since the film 224 is formed in a self-aligned manner, copper oxidation and corrosion are prevented.
[0245]
Thereafter, SiO formed in a self-aligned manner at the bottom of the via.2The film 224 is removed by an RF etching process before barrier sputtering, and a Ta / TaN film 220 is formed to a thickness of 30 nm by a sputtering method without being exposed to the atmosphere. A seed Cu film 221 is formed on the Ta / TaN film 220. A 100 nm film is formed. Thereafter, a Cu film 221 is formed to 700 nm by electrolytic plating (FIG. 27G). Next, as shown in FIG. 27H, a second copper trench wiring and a via plug are formed by CMP.
[0246]
Next, in the same manner as the first copper trench wiring, the BTA layer is removed and SiH is removed.FourTo form a second silicon-containing copper wiring 223, and a SiCN film 222 having a thickness of 50 nm was formed as a Cu diffusion preventing film (FIG. 27 (i)). At this time, the silicon concentration is highest on the surface of the wiring, and decreases as it deepens in the bottom direction.
[0247]
In the case of the TF method according to the present embodiment, it is necessary to perform a via photolithography process after forming the groove portion of the second groove wiring. However, when the antireflection film is used, the wiring groove portion is embedded with the antireflection film. SiO, which is a lower interlayer insulating film2Since the film cannot be etched, an antireflection film cannot be used. For this reason, in the conventional copper wiring, the reflection of the Cu film from the lower layer cannot be suppressed, and the DOF of the via is lowered, which is a problem. However, since the silicon-containing copper wiring formed in this example has a higher antireflection effect in the lithography process than the conventional copper wiring, the via lithography process in the TF method is improved, and the product yield and reliability are improved. Can be improved.
[0248]
In addition, the etching stopper film is used for the second embodiment to the present embodiment, but in the etching process of the upper layer film of the etching stopper film, the etching time is controlled by controlling the processing time so as not to etch the lower layer film. The stopper film may be omitted. By omitting the etching stopper film, the inter-wiring capacitance can be reduced.
[0249]
(5th Example)
The fifth embodiment of the present invention is characterized in that a silicon-containing copper wiring is applied to a two-layer wiring having a single damascene structure, and a low dielectric constant interlayer insulating film is applied to the wiring interlayer insulating film.
[0250]
The configuration of the fifth embodiment will be described.
[0251]
FIG. 28 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device of this example.
[0252]
As shown in FIG. 28, the semiconductor device of this example has a configuration in which a first silicon-containing copper wiring 210 is connected to a second silicon-containing copper wiring 223 via a silicon-containing copper plug 228.
[0253]
The first silicon-containing copper wiring 210 is provided in a groove formed in the laminated film. The trenches are formed by a base insulating film 201, a SiCN film 202, an L-Ox film 203, and a SiO film formed on a semiconductor substrate (not shown).2The film 204 is formed in a laminated film. The side and bottom surfaces of the first silicon-containing copper wiring 210 are covered with a Ta / TaN film 208.
[0254]
The silicon-containing copper plug 228 is made of SiO.2SiCN film 211 and SiO on film 2042It is provided in a hole formed in the laminated film made of the film 212. The side and bottom surfaces of the hole are covered with a Ta / TaN film 226.
[0255]
The second silicon-containing copper wiring 223 is provided in a groove formed in the laminated film. The groove portions are SiCN film 213, L-Ox film 216, and SiO.2The film 217 is formed in a laminated film. Side and bottom surfaces of the second silicon-containing copper wiring 223 are covered with a Ta / TaN film 220, and a SiCN film 222 is formed on the upper surface of the second silicon-containing copper wiring 223.
[0256]
Note that a semiconductor device includes a transistor, a diode, a resistor, and a capacitor (not shown) in addition to the first silicon-containing copper wiring 210, the silicon-containing copper plug 228, and the second silicon-containing copper wiring 223.
[0257]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this example will be described.
[0258]
29 to 32 are cross-sectional views showing the manufacturing steps of the semiconductor device of the fifth embodiment. Detailed description of the same steps as those in the first to fourth embodiments will be omitted.
[0259]
In the semiconductor device manufacturing method of this embodiment, first, the first silicon-containing copper wiring 210 is formed in the same manner as in the second embodiment. At this time, the silicon concentration is highest on the surface of the wiring, and decreases as it deepens in the bottom direction.
[0260]
Next, in the same manner as in the second embodiment, the SiCN film 211 and SiO which is a different interlayer insulating film are used.2The layers up to the film 212 are sequentially formed (FIG. 29A).
[0261]
Next, the deposited SiO2An antireflection film 225 and a photoresist 214 are applied on the film 212, and a via resist pattern 215 is formed by using a photolithography technique (FIG. 29B).
[0262]
In addition, via etching pattern from via resist pattern by dry etching technology2The film 212 is etched to form a via pattern. Then O2Dry ashing is performed to remove the photoresist 214 and the antireflection film 225 (FIG. 29C). Next, the SiCN film 211 at the bottom of the via is etched back. Next, the etching residue is removed by wet peeling (FIG. 29D).
[0263]
At this time, in the via etching process, the copper wiring at the bottom of the via from which the SiCN film 211 has been removed is further oxidized or corroded. However, in the case of a silicon-containing copper wiring, silicon is first oxidized due to the difference in electronegativity. , Stable SiO2Since the film 224 is formed in a self-aligned manner, copper oxidation and corrosion are prevented.
[0264]
Thereafter, SiO formed in a self-aligned manner at the bottom of the via.2The film 224 is removed by an RF etching process before barrier sputtering, and a Ta / TaN film 226 is formed to a thickness of 30 nm by a sputtering method without being exposed to the atmosphere. A seed Cu film 227 is formed on the Ta / TaN film 226. A 100 nm film is formed. Thereafter, a Cu film 227 having a thickness of 700 nm is formed by electrolytic plating and embedded in the via pattern, and then heat treatment is performed at 400 ° C. for crystallization (FIG. 30E).
[0265]
Next, SiO2The Cu film 227 and the Ta / TaN film 226 on the film 212 were removed by a CMP method, and further a surface treatment with a BTA solution was performed to form a copper via plug in which the Cu surface was oxidized with a BTA layer (FIG. 30 ( f)).
[0266]
Next, a silicon-containing copper plug 228 is formed by the same process as that for forming the first silicon-containing copper wiring 210 in the second embodiment, and a SiCN film 213 is formed to a thickness of 50 nm as a second Cu diffusion preventing film ( FIG. 30 (g)).
[0267]
Next, an L-Ox film 216 is applied and baked as a second interlayer insulating film to a thickness of 300 nm, and an SiO 2 film is formed thereon.2A film 217 is formed to a thickness of 100 nm. Next, an antireflection film 225 and a photoresist 218 are applied, and a second groove wiring resist pattern 219 is formed on the photoresist 218 by using a photolithography technique (FIG. 31H).
[0268]
Next, by dry etching technique, using the photoresist 218 as a mask, the interlayer insulating film of the second trench wiring is SiO.2The film 217 and the L-Ox film 216 are etched. Next, O2The photoresist 218 and the antireflection film 225 are removed by dry ashing. Next, the SiCN film 213 of the second Cu diffusion prevention film is removed by whole surface etch back. Next, the etching residue is removed by wet peeling (FIG. 31 (i)).
[0269]
At this time, if the SiCN film is removed in the dry etching process and the via plug is exposed at the bottom of the second trench wiring in the dry etching process, it is oxidized or corroded. Due to the difference in electronegativity, silicon is oxidized first, and stable SiO2Since the film is formed in a self-aligned manner, copper oxidation and corrosion are prevented.
[0270]
After that, SiO formed in a self-aligned manner on the upper surface of the via plug2The film is removed by RF etching before barrier sputtering, and a Ta / TaN film 220 is formed to 30 nm by sputtering without being exposed to the atmosphere. A seed Cu film 221 is formed on the Ta / TaN film 220 to a thickness of 100 nm. Form a film. Next, a Cu film 221 is formed to 700 nm by electrolytic plating (FIG. 31 (j)). Next, a second copper trench wiring was formed by CMP, and surface treatment with a BTA solution was performed (FIG. 32 (k)).
[0271]
Next, in the same manner as the first silicon-containing copper wiring 210 and the silicon-containing copper plug 228, the BTA layer is removed and SiHFourTo form a second silicon-containing copper wiring 223, and a SiCN film 222 having a film thickness of 50 nm is formed as a Cu diffusion preventing film (FIG. 32L). At this time, the silicon concentration is highest on the surface of the wiring, and decreases as it deepens in the bottom direction.
[0272]
As described above, the wiring formed in the present example has a metal wiring more diffused than the case where a silicide layer is formed only on the outermost surface by diffusing silicon throughout the wiring to form a silicon-containing metal wiring. The effect of suppressing the movement of the metal particles can be improved.
[0273]
In addition, the silicon-containing copper wiring formed in this example has a stable SiO2 due to the oxidation of silicon first due to the difference in electronegativity.2Is formed in a self-aligned manner, so that oxidation and corrosion of copper in the etching process can be prevented, so that the product yield can be improved as compared with pure copper wiring.
[0274]
Further, in this embodiment, since the silicon-containing copper wiring having a high silicon concentration is formed on the upper surfaces of the first groove wiring, the second groove wiring, and the via plug by the single damascene structure, the silicon-containing copper has a dual damascene structure. The silicon concentration inside the via can be made higher than when the wiring is formed.
[0275]
Here, the result of resistance evaluation of electromigration and stress migration will be described.
[0276]
FIG. 33 is a graph showing the results of evaluating the resistance to electromigration and stress migration.
[0277]
As shown in FIG. 33, the silicon-containing copper wiring according to the present example has further improved resistance to electromigration and stress migration than the silicon-containing copper wiring formed in the dual damascene structure.
[0278]
In the fourth embodiment and the present embodiment, the groove and via are formed by dry etching the interlayer insulating film,2After removing the resist by dry ashing, the SiCN film is etched back, and then etching residues are removed by wet stripping.2The SiCN film may be etched back after resist removal and etching residue removal by dry ashing and wet stripping.
[0279]
From the second embodiment to the present embodiment, the interlayer insulating film is made of SiO.2Although the film is used, the L-Ox film and SiO2A laminated structure of films may be used. In addition, as a mask insulating film of the L-Ox film, SiO2Although a film is used, it has excellent etching selectivity with L-Ox, and O2An insulating film such as a SiC film, a SiCN film, and a SiOC film may be used as long as the resistance to dry ashing and wet stripping solution is excellent. Furthermore, although L-Ox is used as the low dielectric constant interlayer insulating film, SiOF such as SiOF film, SiOC film, and organic film can be used.2Any insulating film having a relative dielectric constant lower than that of the film may be used.
[0280]
Although copper wiring was used in the first to fifth embodiments, Al, Ag (silver), W (tungsten), Mg (magnesium), Be (beryllium), Zn (zinc), Pd ( Palladium), Cd (cadmium), Au (gold), Hg (mercury), Pt (platinum), Zr (zirconium), Ti (titanium), Sn (tin), Ni (nickel) and Fe (iron) It may be a wiring containing another metal in copper, such as a metal wiring containing an alloy of copper formed with an alloy of at least one of them, and can also be applied to wiring of other metals. Even in this case, the resistance to electromigration and stress migration in the metal wiring is not reduced.
[0281]
Although the Ta / TaN film is used as the barrier metal in the first to fifth embodiments, the barrier metal may be any structure as long as it has at least one of Ti, TiN, TiSiN, Ta, TaN, and TaSiN. . Even in this case, the resistance to electromigration and stress migration in the metal wiring is not reduced.
[0282]
Further, although BTA is used to form an antioxidant film on the wiring surface, a BTA derivative having higher solubility than BTA may be used.
[0283]
Further, the semiconductor device of the present invention is a semiconductor device having a copper wiring, but may not have a transistor, a diode, a resistor, a capacitor, or the like.
[0284]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
[0285]
The semiconductor device manufacturing method of the present invention has good adhesion between the silicon-containing metal wiring and the metal diffusion prevention film, so that the metal particles of the metal wiring are stabilized to prevent the metal particles from moving and the electromigration resistance is improved. . Further, disconnection of the metal wiring due to stress such as a protective film formed in the upper layer is prevented, and resistance to stress migration is improved. Therefore, a metal wiring having a long wiring life can be formed.
[0286]
In addition, as in the present invention, by forming silicon-containing metal wiring by diffusing silicon throughout the wiring, the effect of suppressing the movement of metal particles in the metal wiring is improved compared to the case where a silicide layer is formed only on the outermost surface. In addition, since the silicon content of the entire wiring can be made lower than when the silicide layer is formed, an increase in wiring resistance can be suppressed.
[0287]
Further, since silicon can be diffused not only in the wiring surface but also in the depth direction along the crystal grains, a silicon-containing metal wiring containing silicon can be formed up to the wiring bottom.
[0288]
In addition, the silicon-containing copper wiring of the present invention can prevent copper oxidation and corrosion in the etching process. Compared with the case where a Cu silicide layer is formed, silicon is diffused in the film. Therefore, even if the wiring surface is etched, the copper is highly effective in preventing oxidation, and the deterioration of wiring due to etching can be suppressed. Can be improved.
[0289]
In addition, since the silicon-containing copper wiring of the present invention has a high antireflection effect in the lithography process, the product yield and reliability can be improved even in a lithography process in which an antireflection film cannot be used.
[0290]
Furthermore, by using Cu wiring as the metal wiring, an increase in wiring resistance is suppressed even when the wiring size is reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of the configuration of a parallel plate type plasma CVD apparatus used in the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment.
FIG. 4 is a phase diagram showing states of silicon and copper.
FIG. 5 shows removal of an antioxidant layer and SiH.FourIt is a graph and table | surface which show the result of the experiment about the process conditions of a process.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a second embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the second embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the second embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the second embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the second embodiment.
FIG. 11 is an experimental data diagram showing that the silicon-containing copper wiring of the present invention is subjected to SIMS analysis from the semiconductor substrate side and silicon is diffused in the copper wiring.
FIG. 12 is an experimental data diagram comparing the via chain yield of a product formed according to the second embodiment of the present invention and a product of a conventional structure.
FIG. 13 is an experimental data diagram comparing a via EM of a product formed according to the second embodiment of the present invention and a product having a conventional structure.
FIG. 14 is a table showing physical property data of L-Ox.
FIG. 15 is a schematic diagram showing the structure of L-Ox.
FIG. 16 is a graph showing observation results of FT-IR.
FIG. 17 is a graph showing changes in physical properties accompanying changes in firing conditions.
FIG. 18 is a schematic diagram showing the structure of HSQ.
FIG. 19 shows SiH of the present invention.FourIt is an experimental data figure about the film thickness shrinkage | contraction rate variation | change_quantity, refractive index variation | change_quantity, and relative dielectric constant variation | change_quantity of HSQ and L-Ox with respect to irradiation processing time.
FIG. 20 is a table showing a film thickness measurement result after etching a certain amount, and a schematic diagram showing measurement points.
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the third embodiment;
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the third embodiment.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the third embodiment.
FIG. 24 is an experimental data diagram in which the relationship between the silicon concentration and the reflectance is examined in the silicon-containing copper wiring of the present invention.
FIG. 25 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the fourth embodiment;
FIG. 26 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the fourth embodiment;
FIG. 27 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the fourth embodiment;
FIG. 28 is a sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a fifth embodiment;
FIG. 29 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the fifth embodiment;
30 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the fifth embodiment; FIG.
FIG. 31 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the fifth embodiment;
32 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the fifth embodiment; FIG.
FIG. 33 is an experimental data diagram comparing a via EM of a product having a dual damascene structure and a single damascene structure using a silicon-containing copper wiring according to the present invention.
FIG. 34 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a conventional trench wiring.
FIG. 35 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional VF method.
FIG. 36 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional VF method.
FIG. 37 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional VF method.
FIG. 38 is an experimental data diagram showing the relationship between the via chain yield and the number of reworks in the photolithography process for the second trench wiring for a product formed by the conventional VF method.
[Explanation of symbols]
1, 101, 201, 301 Base insulating film
2,102 SiO2Insulation film
3, 205, 214, 218, 314, 318 photoresist
4 Resist pattern for groove wiring
5, 208, 220, 226, 320 Ta / TaN film
6 Cu layer
7, 107 Cu wiring
8 Silicon-containing Cu wiring
9, 202, 211, 213, 222, 302, 311, 313, 322 SiCN film
10, 110 SiO2Interlayer insulation film
11 BTA layer
12, 112 SiN film
30 treatment room
32 Heater
34 Exhaust means
35 Gas piping
36 Gas supply section
37 Gas flow rate control means
38 computers
40 Upper plate electrode
41 Lower plate electrode
42 High frequency generator
100 Semiconductor substrate
105 barrier metal
204, 212, 217, 304, 312, 317 SiO2film
209, 221, 227, 321 Cu film
203, 216 L-Ox
206 First groove wiring resist pattern
207 First groove wiring pattern
215, 315 Via resist pattern
210 First silicon-containing copper wiring
219, 319 Second groove wiring resist pattern
223 Second silicon-containing copper wiring
224 Self-aligned SiO2film
225, 325 Antireflection film
228 Silicon-containing copper plug
330 First copper wiring
331 Copper oxide layer
332 Second copper wiring
Claims (49)
前記金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記金属配線上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより、金属シリサイド層を含有しないシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記シリコン含有金属配線および前記絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む金属拡散防止膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。Forming a metal wiring containing at least one of copper and an alloy of copper, the upper surface of which is exposed in the groove portion of the insulating film formed on the semiconductor substrate;
Forming an antioxidant layer containing at least one of benzotriazole and a benzotriazole derivative on the upper surface of the metal wiring;
Removing the antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, silicon is diffused from the upper surface of the metal wiring using inorganic silane gas without exposing the upper surface of the metal wiring to oxygen, thereby forming a silicon-containing metal wiring that does not contain a metal silicide layer. Process,
Forming a metal diffusion prevention film including at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film on the exposed surface of the silicon-containing metal wiring and the insulating film in the sealed processing chamber;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記第1の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第1の酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記第1の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第1の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第1の金属配線上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第1のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第1のシリコン含有金属配線および前記第1の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第1の金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第1の金属拡散防止膜上に第2の絶縁膜および第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第1の金属配線上面が露出するまで、前記第1の金属拡散防止膜、前記第2の絶縁膜および前記第3の絶縁膜を連通する開孔を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜に、前記開孔につながる第1の溝部を形成する工程と、
前記開孔および前記第1の溝部に金属を埋め込み、前記第1の溝部内に形成される銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第2の金属配線と前記第1の金属配線とを接続するための銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有するビアプラグを形成する工程と、
前記第2の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第2の酸化防止層を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第2の金属配線の上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第2のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第2のシリコン含有金属配線および前記第3の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第2の金属拡散防止膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。Forming a first metal wiring containing at least one of copper and an alloy of copper, the upper surface of which is exposed, in a groove of the first insulating film formed on the semiconductor substrate;
Forming a first antioxidant layer containing at least one of benzotriazole and a benzotriazole derivative on the upper surface of the first metal wiring;
Removing the first antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, the first metal wiring does not contain a metal silicide layer by diffusing silicon from the upper surface of the first metal wiring using an inorganic silane gas without exposing the upper surface of the first metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of
A first metal diffusion including at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film on an exposed surface of the first silicon-containing metal wiring and the first insulating film in the sealed processing chamber. Forming a prevention film;
Forming a second insulating film and a third insulating film in order on the first metal diffusion preventing film;
Forming an opening communicating the first metal diffusion prevention film, the second insulating film, and the third insulating film until the upper surface of the first metal wiring is exposed;
Forming a first groove connected to the opening in the third insulating film;
A metal embedded in the opening and the first groove, a second metal wiring containing at least one of copper and a copper alloy formed in the first groove, and the first metal wiring; Forming a via plug containing at least one of copper and a copper alloy for connecting
Forming a second antioxidant layer containing at least one of benzotriazole and a benzotriazole derivative on the upper surface of the second metal wiring;
Removing the second antioxidant layer by heating in the sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, a silicon silicide layer is not contained by diffusing silicon using inorganic silane gas from the upper surface of the second metal wiring without exposing the upper surface of the second metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of 2;
Second metal diffusion including at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film on the exposed surface of the second silicon-containing metal wiring and the third insulating film in the sealed processing chamber Forming a prevention film;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記第1の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のう ち少なくとも一つを含む第1の酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記第1の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第1の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第1の金属配線上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第1のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第1のシリコン含有金属配線および前記第1の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第1の金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第1の金属拡散防止膜上に第2の絶縁膜および第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第3の絶縁膜を選択的にエッチングして第1の溝部を形成する工程と、
前記第1の金属配線の上面が露出するまで、前記第1の金属拡散防止膜、前記第2の絶縁膜および前記第3の絶縁膜を連通し、かつ前記第1の溝部につながる開孔を形成する工程と、
前記第1の溝部および前記開孔に金属を埋め込み、前記第1の溝部内に形成される銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第2の金属配線と前記第1の金属配線とを接続するための銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有するビアプラグを形成する工程と、
前記第2の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第2の酸化防止層を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第2の金属配線の上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第2のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第2のシリコン含有金属配線および前記第3の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第2の金属拡散防止膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。Forming a first metal wiring containing at least one of copper and an alloy of copper, the upper surface of which is exposed, in a groove of the first insulating film formed on the semiconductor substrate;
The first metal interconnection top, forming a first anti-oxidation layer comprising at least one Chi sac benzotriazole and benzotriazole derivatives,
Removing the first antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, the first metal wiring does not contain a metal silicide layer by diffusing silicon from the upper surface of the first metal wiring using an inorganic silane gas without exposing the upper surface of the first metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of
A first metal diffusion including at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film on an exposed surface of the first silicon-containing metal wiring and the first insulating film in the sealed processing chamber. Forming a prevention film;
Forming a second insulating film and a third insulating film in order on the first metal diffusion preventing film;
Selectively etching the third insulating film to form a first groove;
Opening that connects the first metal diffusion prevention film, the second insulating film, and the third insulating film and is connected to the first groove until the upper surface of the first metal wiring is exposed. Forming, and
A metal embedded in the first groove and the opening, a second metal wiring containing at least one of copper and a copper alloy formed in the first groove, and the first metal wiring; Forming a via plug containing at least one of copper and a copper alloy for connecting
Forming a second antioxidant layer containing at least one of benzotriazole and a benzotriazole derivative on the upper surface of the second metal wiring;
Removing the second antioxidant layer by heating in the sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, a silicon silicide layer is not contained by diffusing silicon using inorganic silane gas from the upper surface of the second metal wiring without exposing the upper surface of the second metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of 2;
Second metal diffusion including at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film on the exposed surface of the second silicon-containing metal wiring and the third insulating film in the sealed processing chamber Forming a prevention film;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記第1の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第1の酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記第1の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第1の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第1の金属配線上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第1のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第1のシリコン含有金属配線および前記第1の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第1の金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第1の金属拡散防止膜上に第2の絶縁膜およびエッチングストッパー膜を順に形成する工程と、
前記第2の絶縁膜が露出するまで前記エッチングストッパー膜を選択的にエッチングして第1の開孔を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜および前記エッチングストッパー膜の露出面上に第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜に、前記第1の開孔と幅が同等以上で、前記第1の開孔につながる第1の溝部を形成する工程と、
前記第1の開孔を含む位置に、前記第1の金属配線が露出するまで、前記第1の金属拡散防止膜、前記第2の絶縁膜および前記第3の絶縁膜を連通する第2の開孔を形成する工程と、
前記第1の溝部、前記第1の開孔および前記第2の開孔に金属を埋め込み、前記第1の溝部内に形成される銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第2の金属配線と前記第1の金属配線とを接続するための銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有するビアプラグを形成する工程と、
前記第2の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第2の酸化防止層を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第2の金属配線の上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第2のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で前記第2のシリコン含有金属配線および前記第3の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第2の金属拡散防止膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。Forming a first metal wiring containing at least one of copper and an alloy of copper, the upper surface of which is exposed, in a groove of the first insulating film formed on the semiconductor substrate;
Forming a first antioxidant layer containing at least one of benzotriazole and a benzotriazole derivative on the upper surface of the first metal wiring;
Removing the first antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, the first metal wiring does not contain a metal silicide layer by diffusing silicon from the upper surface of the first metal wiring using an inorganic silane gas without exposing the upper surface of the first metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of
A first metal diffusion including at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film on an exposed surface of the first silicon-containing metal wiring and the first insulating film in the sealed processing chamber. Forming a prevention film;
Forming a second insulating film and an etching stopper film in order on the first metal diffusion prevention film;
Selectively etching the etching stopper film until the second insulating film is exposed to form a first opening;
Forming a third insulating film on the exposed surfaces of the second insulating film and the etching stopper film;
Forming a first groove in the third insulating film having a width equal to or greater than that of the first opening and connected to the first opening;
A second communicating the first metal diffusion prevention film, the second insulating film, and the third insulating film until the first metal wiring is exposed at a position including the first opening. Forming an aperture;
A second metal containing at least one of copper and a copper alloy formed in the first groove by embedding metal in the first groove, the first opening, and the second opening. Forming a via plug containing at least one of copper and a copper alloy for connecting the metal wiring and the first metal wiring;
Forming a second antioxidant layer containing at least one of benzotriazole and a benzotriazole derivative on the upper surface of the second metal wiring;
Removing the second antioxidant layer by heating in the sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, a silicon silicide layer is not contained by diffusing silicon using inorganic silane gas from the upper surface of the second metal wiring without exposing the upper surface of the second metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of 2;
Second metal diffusion including at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film on the exposed surface of the second silicon-containing metal wiring and the third insulating film in the sealed processing chamber Forming a prevention film;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記第1の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第1の酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記第1の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第1の金属配線上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第1のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第1の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第1のシリコン含有金属配線および前記第1の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第1の金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第1の金属拡散防止膜上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の金属配線が露出するまで前記第1の金属拡散防止膜および前記第2の絶縁膜を連通する開孔を形成する工程と、
前記開孔に金属を埋め込んで銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有するビアプラグを形成する工程と、
前記ビアプラグの上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のうち少なくとも一つを含む第2の酸化防止層を形成する工程と、
密閉された処理室内で、前記第2の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記ビアプラグの上面を酸素に曝すことなく、前記ビアプラグ上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより、金属シリサイド層を含有しないシリコン含有ビアプラグを形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記ビアプラグおよび前記第2の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第2の金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第2の金属拡散防止膜上に第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜が露出するまで前記第3の絶縁膜を選択的にエッチングして、前記ビアプラグとつながる第1の溝部を形成する工程と、
前記第1の溝部に金属を埋め込んで銅および銅の合金のうち少なくとも1つを含有する第2の金属配線を形成する工程と、
前記第2の金属配線上面に、ベンゾトリアゾールおよびベンゾトリアゾール誘導体のう ち少なくとも一つを含む第3の酸化防止層を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第3の酸化防止層を加熱することにより除去する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2の金属配線の上面を酸素に曝すことなく、前記第2の金属配線の上面から無機シランガスを用いてシリコンを拡散させることにより金属シリサイド層を含有しない第2のシリコン含有金属配線を形成する工程と、
前記密閉された処理室内で、前記第2のシリコン含有金属配線および前記第3の絶縁膜の露出面に、SiCN膜、SiC膜、SiOC膜および有機膜のうち少なくとも一つを含む第3の金属拡散防止膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。Forming a first metal wiring containing at least one of copper and an alloy of copper, the upper surface of which is exposed, in a groove of the first insulating film formed on the semiconductor substrate;
Forming a first antioxidant layer containing at least one of benzotriazole and a benzotriazole derivative on the upper surface of the first metal wiring;
Removing the first antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
Forming a first silicon-containing metal wiring that does not contain a metal silicide layer by diffusing silicon from the upper surface of the first metal wiring using an inorganic silane gas in the sealed processing chamber ;
An SiCN film, a SiC film, and a SiOC film are exposed on the exposed surfaces of the first silicon-containing metal wiring and the first insulating film without exposing the upper surface of the first metal wiring to oxygen in the sealed processing chamber. Forming a first metal diffusion barrier film including at least one of a film and an organic film ;
Forming a second insulating film on the first metal diffusion prevention film;
Forming an opening communicating the first metal diffusion prevention film and the second insulating film until the first metal wiring is exposed;
Forming a via plug containing at least one of copper and a copper alloy by embedding a metal in the opening;
Forming a second antioxidant layer containing at least one of benzotriazole and a benzotriazole derivative on the top surface of the via plug;
Removing the second antioxidant layer by heating in a sealed processing chamber;
Forming a silicon-containing via plug that does not contain a metal silicide layer by diffusing silicon from the upper surface of the via plug using an inorganic silane gas without exposing the upper surface of the via plug to oxygen in the sealed processing chamber;
A second metal diffusion prevention film including at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film is formed on the exposed surface of the via plug and the second insulating film in the sealed processing chamber. Process,
Forming a third insulating film on the second metal diffusion preventing film;
Selectively etching the third insulating film until the second insulating film is exposed to form a first groove connected to the via plug;
Forming a second metal wiring containing at least one of copper and a copper alloy by embedding a metal in the first groove portion;
The second metal interconnection top, forming a third oxide prevention layer containing at least one Chi sac benzotriazole and benzotriazole derivatives,
Removing the third antioxidant layer by heating in the sealed processing chamber;
In the sealed processing chamber, a silicon silicide layer is not contained by diffusing silicon using inorganic silane gas from the upper surface of the second metal wiring without exposing the upper surface of the second metal wiring to oxygen. Forming a silicon-containing metal wiring of 2;
A third metal containing at least one of a SiCN film, a SiC film, a SiOC film, and an organic film on the exposed surface of the second silicon-containing metal wiring and the third insulating film in the sealed processing chamber. Forming a diffusion barrier film;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記下層膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを有し、
前記上層膜はSiO2を有する請求項1記載の半導体装置の製造方法。The insulating film has a laminated film composed of a lower layer film and an upper layer film formed on the lower layer film,
The underlayer has at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the upper layer film includes SiO 2 .
前記下層膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを有し、
前記上層膜はSiO2を有する請求項2乃至6のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。The first insulating film has a laminated film composed of a lower layer film and an upper layer film formed on the lower layer film,
The underlayer has at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane;
The upper layer film manufacturing method of a semiconductor device according to any one of claims 2 to 6 having a SiO 2.
前記下層膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを有し、
前記上層膜はSiO2を有する請求項2乃至6のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。The third insulating film has a laminated film composed of a lower film and an upper film formed on the lower film,
The underlayer has at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2 , wherein the upper layer film includes SiO 2 .
前記下層膜は梯子型水素化シロキサンおよびポーラス梯子型水素化シロキサンのうち少なくとも一つを有し、
前記上層膜はSiO2を有する請求項2乃至6のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。The second insulating film has a laminated film composed of a lower film and an upper film formed on the lower film,
The underlayer has at least one of a ladder-type hydrogenated siloxane and a porous ladder-type hydrogenated siloxane;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2 , wherein the upper layer film includes SiO 2 .
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