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JP2004146490A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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JP2004146490A
JP2004146490A JP2002308036A JP2002308036A JP2004146490A JP 2004146490 A JP2004146490 A JP 2004146490A JP 2002308036 A JP2002308036 A JP 2002308036A JP 2002308036 A JP2002308036 A JP 2002308036A JP 2004146490 A JP2004146490 A JP 2004146490A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
forming
insulating film
interlayer insulating
impurity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Abandoned
Application number
JP2002308036A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hisanori Komai
駒井 尚紀
Hiroshi Yamada
山田 博
Takeshi Nogami
野上 毅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2002308036A priority Critical patent/JP2004146490A/en
Publication of JP2004146490A publication Critical patent/JP2004146490A/en
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

【課題】溝開口部での成膜時のカバリッジ性を高め、オーバハングを発生することなく成膜することで、銅の埋めこみ不良の発生を低減して、信頼性の高い溝配線を提供する。
【解決手段】半導体基板11上に形成された層間絶縁膜12上に配線溝13を形成する工程と、配線溝13の内面を含む層間絶縁膜12上の全面に亘って銅の拡散バリア性を有するバリア層14を形成する工程と、配線溝13の内面を含む層間絶縁膜12上の全面に亘って電解めっきのシード層15を形成する工程と、電気化学的な成膜方法によりシード層15上に不純物層16を形成する工程と、配線溝13を埋め込むように導電層17を形成する工程と、熱処理により不純物層16に含まれている元素を導電層17中に拡散させる工程と、層間絶縁膜12上の余剰な導電層17からバリア層14までを除去する工程とを備えている。
【選択図】    図1
An object of the present invention is to provide a highly reliable grooved wiring by improving the coverage at the time of film formation in a groove opening and forming a film without generating overhang, thereby reducing the occurrence of defective copper embedding.
A step of forming a wiring groove on an interlayer insulating film formed on a semiconductor substrate, and a step of forming a copper diffusion barrier property over the entire surface of the interlayer insulating film including an inner surface of the wiring groove. Forming a barrier layer 14 having a metal layer, forming a seed layer 15 for electrolytic plating over the entire surface of the interlayer insulating film 12 including the inner surface of the wiring groove 13, and forming the seed layer 15 by an electrochemical film forming method. A step of forming an impurity layer 16 thereon, a step of forming a conductive layer 17 so as to fill the wiring groove 13, a step of diffusing an element contained in the impurity layer 16 into the conductive layer 17 by heat treatment, Removing the excess conductive layer 17 from the insulating layer 12 to the barrier layer 14.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、詳しくは埋め込み配線構造の配線を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
0.18μm世代以降のLSIにおいては、配線の微細化が進み、トランジスタの高速化に対してRC遅延(抵抗Rと容量Cによる配線の遅延)を無視することができなくなってきている。そこで、層間絶縁膜に低誘電率膜を採用することや、配線材料として従来から用いられてきたアルミニウム配線よりも導電率の高い銅配線を導入する半導体装置が増えてきている。銅は、アルミニウムよりも融点が高いために、変形が起こりにくく、その結果、アルミニウム配線に顕著に現れたマイグレーション(原子の移動)が起こりにくいことが期待されている。
【0003】
しかしながら、半導体装置に用いる銅配線においても、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションが起こる事が明らかになってきており、マイグレーションによって配線の断線も問題となり始めてきた。アルミニウム配線で用いられているように、配線材料中に不純物を添加し、配線材料を硬化してマイグレーションを起こりにくくすることがすでに採用されている。同様の効果を狙って、銅配線においても、銀(Ag)、ニオブ(Nb)、そして酸化アルミニウム(Al2 3 )などの不純物を添加する事例が報告されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特許第3040745号公報(第3頁、図8)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、不純物の添加方法は、主にスパッタ法を用いた方法であるため、溝配線の場合、配線幅が細くなるにしたがい、配線内に不純物を導入することが難しくなってくる。また、電解めっき時に用いるシード層をスパッタ法により形成すると、溝配線側壁および底へのカバレッジが均一となるため、アニール後の配線内において不純物濃度が不均一になる。また、銅より卑な金属をスパッタする方法では、銅電解めっき時に添加元素が溶出してしまう問題もある。
【0006】
更に、スパッタ法を用いると、スパッタ条件によっては、図4に示すように、不純物層116等のオーバハングにより間口部113が狭くなる問題があり、バリアメタル層(バリア層)114、銅シード層115および不純物層116の全てを、スパッタ法を用いて成膜した場合には、開口部でのオーバハングが助長され、図5に示すように、次工程の電解めっき時に、溝113内への銅膜117の埋めこみ不良によって、例えばボイド131を発生しやすくなることも問題である。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置の製造方法である。
【0008】
本発明の半導体装置の第1製造方法は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜上に配線用凹部を形成する工程と、前記配線用凹部の内面を含む層間絶縁膜上の全面に亘って銅の拡散バリア性を有するバリア層を形成する工程と、前記配線用凹部の内面を含む層間絶縁膜上の全面に亘って電解めっきのシード層を形成する工程と、電気化学的な成膜方法により前記シード層上に不純物層を形成する工程と、前記配線用凹部を埋め込むように導電層を形成する工程と、熱処理により前記不純物層に含まれている元素を前記導電層中に拡散させる工程と、前記層間絶縁膜上の余剰な前記導電層から前記バリア層までを除去する工程とを備えた製造方法である。
【0009】
上記半導体装置の第1製造方法では、スパッタ法よりもステップカバレッジに優れる電気化学的な成膜方法を用いて不純物層を形成することから、オーバハングを少なくしたステップカバレッジに優れた不純物層が形成される。このため、導電層の埋めこみ不良を低減するとともに、不純物層に含まれている元素を導電層中に均一に拡散させることが可能になる。また、不純物層を銅よりも貴な金属を用いて形成することにより、導電層を銅電解めっきにより形成する際、特に銅の電解めっき液に接触したときに、不純物層が保護膜となって銅電解めっき液にシード層の元素が溶出することが無くなる。
【0010】
本発明の半導体装置の第2製造方法は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜上に配線用凹部を形成する工程と、前記配線用凹部の内面を含む層間絶縁膜上の全面に亘って銅の拡散バリア性を有するバリア層を形成する工程と、前記配線用凹部の内面を含む層間絶縁膜上の全面に亘って電解めっきのシード層を形成する工程と、電気化学的な成膜方法により前記シード層上に触媒層を形成する工程と、前記触媒層を利用して不純物層を形成する工程と、前記配線用凹部を埋め込むように導電層を形成する工程と、熱処理により前記触媒層および前記不純物層に含まれている元素を前記導電層中に拡散させる工程と、前記層間絶縁膜上の余剰な前記導電層から前記バリア層までを除去する工程とを備えた製造方法である。
【0011】
上記半導体装置の第2製造方法では、スパッタ法よりもステップカバレッジに優れる電気化学的な成膜方法を用いて触媒層と不純物層とを形成することから、オーバハングを少なくしたステップカバレッジに優れた不純物層が形成される。このため、導電層の埋めこみ不良を低減するとともに、触媒層および不純物層に含まれている元素を導電層中に均一に拡散させることが可能になる。また、不純物層を銅よりも貴な金属を用いることにより、導電層を銅電解めっきにより形成する際、特に銅の電解めっき液に接触したときに、不純物層が保護膜となって銅電解めっき液にシード層の元素が溶出することが無くなる。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置の第1製造方法に係る第1実施の形態を、図1の製造工程断面図によって説明する。
【0013】
図1の(1)に示すように、半導体基板11に所定の素子(図示せず)を形成した後、層間絶縁膜12を形成する。さらに絶縁膜12に配線用凹部として溝13を形成する。続いて、PVD法によりバリア層14を、銅の拡散バリア性を有する例えばタンタル(Ta)もしくは窒化タンタル(TaN)で形成し、さらに銅の電解めっき時に用いるシード層15を銅で形成する。
【0014】
次いで図1の(2)に示すように、シード層15を塩化パラジウムイオンを含んだ水溶液に接触させ、置換めっきによりシード層15上にパラジウムを析出させて不純物層16を形成する。この置換めっきは、例えば、塩化パラジウム水溶液(0.2mol/L)を用い、室温にてその液中に30秒間浸漬することにより上記不純物層16を形成する。上記塩化パラジウム水溶液中のパラジウムイオンは銅イオンよりもイオン化傾向が小さいため、シード層15の銅とパラジウムイオンとで電子の置換が起こり、銅イオンが溶け出す代りにパラジウムが銅のシード層15上に析出される。このように電気化学的な成膜方法により、パラジウムの不純物層16を形成する。なお、この時の不純物層16はいわゆる島状に成膜されるなど、連続膜でなくても良い。
【0015】
続いて図1の(3)に示すように、電解めっきにより、層間絶縁膜12上に溝13の内部を埋め込むように、バリア層14、シード層15および不純物層16を介して導電膜17を例えば銅で形成する。一般的には硫酸銅系のめっき液を用いて、電流密度6mA/cm2 〜20mA/cm2 で約1ミクロンの厚さに銅めっきを行う(ここでは一例として、6mA/cm2 :1分、続いて20mA/cm2 で総電力が13.0A・min.になるまでめっきを行った)。
【0016】
続いて図1の(4)に示すように、熱処理によって、不純物層16(前記図1の(3)参照)中のパラジウムを銅の導電膜17(前記図1の(3)に示したシード層15も含む:以下シード層15も含めて導電膜17という)中に拡散させる。この熱処理は、例えば、150℃〜350℃の温度で行う(ここでは一例として、200℃のファーネスアニールを30分間行った)。この図1の(4)ではパラジウムを拡散させた後の状態を示した。
【0017】
その後、図1の(5)に示すように、化学的機械研磨(CMP)もしくは電解研磨法などにより溝13内のみにバリア層14を介して導電膜17を残すように、絶縁膜12上の不要な導電膜17およびバリア層14を除去する。このようにして、溝13内にバリア層14を介してパラジウムが拡散された導電膜17からなる配線18が形成される。
【0018】
また上記置換めっきは、パラジウム置換めっきに限ったものではなく、硝酸銀水溶液を用いて銀(Ag)を置換めっきしても同様の効果が得られる。もしくは、市販のキャタライザ(塩化パラジウム/塩化第一スズ/塩酸水溶液)を基板に作用させ、その後市販のアクセラレータ(硫酸/塩酸水溶液)を作用させ、スズを離脱させてパラジウムを表面に付着させる方法を用いても良い。
【0019】
上記半導体装置の第1製造方法では、スパッタ法よりもステップカバレッジに優れる電気化学的な成膜方法を用いて不純物層16を形成することから、オーバハングを少なくしたステップカバレッジに優れた不純物層16が形成される。このため、導電層17の埋めこみ不良を低減するとともに、不純物層16に含まれている元素を導電層17中に均一に拡散させることが可能になる。また、不純物層16を銅よりも貴な金属で形成することにより、導電層17を銅電解めっきにより形成する際に不純物層16が溶出することが無くなる。
【0020】
次に、本発明の半導体装置の第1製造方法に係る第2実施の形態を、図2の製造工程断面図によって説明する。
【0021】
図2の(1)に示すように、半導体基板11に所定の素子(図示せず)を形成した後、層間絶縁膜12を形成する。さらに層間絶縁膜12に配線用凹部となる溝13を形成する。続いて、PVD法によりバリア層14を、銅の拡散バリア性を有する例えばタンタル(Ta)もしくは窒化タンタル(TaN)で形成し、さらに電解めっき時に用いるシード層15を銅で形成する。
【0022】
次いで図2の(2)に示すように、硫酸パラジウム水溶液(0.2mol/L〜0.5mol/L)を用いて電解めっきを行う。この時、めっき液に銅のシード層15を接液させると同時に置換めっきがスタートし、必要以上の銅(シード層15)をエッチングする可能性があるため、シード層15に予め1V以上の電圧を掛けながら接液させる。その後、2mA/cm2 で、電気量0.01A・minでパラジウムめっき(膜厚1nm相当)を行って、シード層15表面に不純物層16を形成する。このように、不純物層16は電気化学的な成膜方法により形成される。
【0023】
続いて図2の(3)に示すように、電解めっきにより、層間絶縁膜12上に溝13の内部を埋め込むように、バリア層14、シード層15および不純物層16を介して導電膜17を例えば銅で形成する。このとき、不純物層16は、導電膜17を成膜させる際に、シード層15のエッチング防止膜として作用する効果を備え持つ。
【0024】
続いて図2の(4)に示すように、熱処理によって、不純物層16(前記図2の(3)参照)中のパラジウムを導電膜17(前記図2の(3)に示したシード層15も含む:以下シード層15も含めて導電膜17という)中に拡散させる。この熱処理は、例えば、150℃〜350℃の温度で行う(ここでは一例として、200℃のファーネスアニールを30分間行った)。この図2の(4)ではパラジウムを拡散させた後の状態を示した。
【0025】
その後、図2の(5)に示すように、化学的機械研磨(CMP)もしくは電解研磨法などにより溝13内のみにバリア層14を介して導電膜17を残すように、絶縁膜12上の不要な導電膜17およびバリア層14を除去する。このようにして、溝13内にバリア層14を介してパラジウムが拡散された導電膜17からなる配線18が形成される。
【0026】
電解めっき法による不純物層16の成膜に関しては、パラジウムの電解めっき法に限ったものではなく、硝酸銀/ヨウ化カリウム水溶液を用いて銀(Ag)をパラジウムと同等の膜厚にめっきしても同様の効果が得られる。また、シアン化銀/シアン化カリウム水溶液を用いて電解めっきを行っても良い。
【0027】
上記第2実施の形態では、スパッタ法よりもステップカバレッジに優れる電気化学的な成膜方法(電解めっき法)を用いて不純物層16を形成することから、オーバハングを少なくしたステップカバレッジに優れた不純物層16が形成される。このため、導電層17の埋めこみ不良を低減するとともに、不純物層16に含まれている元素を導電層17中に均一に拡散させることが可能になる。また、不純物層16を銅よりも貴な金属で形成することにより、導電層17を銅電解めっきにより形成する際に不純物層16が溶出することが無くなる。
【0028】
次に、本発明の半導体装置の第2製造方法に係る一実施の形態を、図3の製造工程断面図によって説明する。
【0029】
図3の(1)に示すように、半導体基板11に所定の素子(図示せず)を形成した後、層間絶縁膜12を形成する。さらに絶縁膜12に配線用凹部となる溝13を形成する。続いて、PVD法によりバリア層14を、銅の拡散バリア性を有する例えばタンタル(Ta)もしくは窒化タンタル(TaN)で形成し、さらに電解めっき時に用いるシード層15を銅で形成する。
【0030】
次いで図3の(2)に示すように、無電解めっきに一般的に用いられる触媒化を行う。市販のキャタライザ(塩化パラジウム/塩化第一スズ/塩酸水溶液)をシード層15表面に作用させ、その後市販のアクセラレータ(硫酸/塩酸水溶液)を作用させ、スズを離脱させてパラジウムをシード層15表面に付着させ、触媒層21を形成する。なお、この時の触媒層21はいわゆる島状に成膜されるなど、連続膜でなくても良い。
【0031】
その後図3の(3)に示すように、硝酸銀/アンモニア水溶液(銀液)と、還元剤液(例えばホルマリン水溶液)を、それぞれ例えばスプレーガンを用いて、基板(シード層15)表面で混合させて、パラジウムの触媒層21(前記図3の(2)参照)を用いて銀(Ag)を析出させる方法で、膜厚が約1nmのパラジウムを核にした銀の不純物層16を成膜させる。このようにして、触媒層21および不純物層16は電気化学的な成膜方法により形成される。
【0032】
続いて図3の(4)に示すように、電解めっきにより、層間絶縁膜12上に溝13の内部を埋め込むように、バリア層14、シード層15および不純物層16を介して導電膜17を例えば銅で形成する。このとき、不純物層16は、導電膜17を成膜させる際に、シード層15のエッチング防止膜として作用する効果を備え持つ。
【0033】
続いて図3の(5)に示すように、熱処理によって、不純物層16(前記図3の(4)参照)中のパラジウムを導電膜17(前記図3の(4)に示すシード層15も含む:以下シード層15も含めて導電膜17という)中に拡散させる。この熱処理は、例えば、150℃〜350℃の温度で行う(ここでは一例として、200℃のファーネスアニールを30分間行った)。この図3の(5)ではパラジウムおよび銀を拡散させた後の状態を示した。
【0034】
その後、図3の(6)に示すように、化学的機械研磨(CMP)もしくは電解研磨法などにより溝13内のみにバリア層14を介して導電膜17を残すように、層間絶縁膜12上の不要な導電膜17およびバリア層14を除去する。このようにして、溝13内にバリア層14を介してパラジウムが拡散された導電膜17からなる配線18が形成される。
【0035】
上記触媒層21には、上記実施の形態のようなキャラクタライゼーション法では、パラジウムを用いることが一般的ではあるが、例えば銀(Ag)、白金(Pt)、金(Au)を用いることができる。また、次亜リン酸やホルマリン等の還元剤を用いた無電解めっき液の場合には、ニッケル(Ni)触媒層、コバルト(Co)触媒層を用いることもできる。
【0036】
なお、PdやAgの無電解めっきに関しては、通常の浸漬法を用いても良い。
【0037】
上記半導体装置の第2製造方法では、スパッタ法よりもステップカバレッジに優れる電気化学的な成膜方法を用いて触媒層21と不純物層16とを形成することから、オーバハングを少なくしたステップカバレッジに優れた不純物層16が形成される。このため、導電層17の埋めこみ不良を低減するとともに、不純物層16に含まれている元素を導電層17中に均一に拡散させることが可能になる。また、不純物層16を銅よりも貴な金属を用いることにより、導電層17を銅電解めっきにより形成する際に不純物層16の元素が溶出することが無くなる。
【0038】
なお、上記各実施の形態では、いずれも溝配線のみを形成するいわゆるシングルダマシン構造で説明しているが、配線溝とこの配線溝の底部に下層配線に達する接続孔とを形成し、その両方に導電膜を埋め込んで溝配線と下層配線に接続されるプラグとを同時形成する、いわゆるデュアルダマシン構造に対しても適用することができ、同様の効果が得られる。
【0039】
上記各実施の形態では、不純物層16に用いる銅からなるシード層15よりも貴な金属として、パラジウムを用いたが、不純物層には銅よりも貴な金属であればよく、例えば銀(Ag)、白金(Pt)、金(Au)等を用いることができる。特に、銅の比抵抗を上昇させることなく、マイグレーション耐性がある金属として、パラジウム、銀を用いることが好ましい。
【0040】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の半導体装置の製造方法によれば、電気化学的な成膜方法により不純物層を形成することから、不純物層はカバリッジ性よくオーバハングを生じることなく形成されるので、配線が形成される導電膜内に不純物層の元素(Pd,Agなど)を均一に添加することができ、エレクトロマイグレーション耐性、つまり、配線の信頼性を向上させることができる。また、不純物層に銅よりも貴な金属を用いることでシード層の補強効果も付加され、導電膜を形成する電解めっき時(電解めっき液に接液した瞬間)のシード層の溶出を防止することができ、電解めっきの埋め込み性の向上を図ることができる。よって、信頼性の高い配線を備えた半導体装置の製造が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の第1製造方法に係る第1実施の形態を、図1の製造工程断面図である。
【図2】本発明の半導体装置の第1製造方法に係る第2実施の形態を、図2の製造工程断面図である。
【図3】本発明の半導体装置の第2製造方法に係る一実施の形態を、図3の製造工程断面図である。
【図4】不純物層のオーバハングによる不良を説明する概略構成断面図である。
【図5】オーバハングによる銅膜の埋め込み不良を説明する概略構成断面図である。
【符号の説明】
11…半導体基板、12…層間絶縁膜、13…溝、14…バリア層、15…シード層、16…不純物層、17…導電層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device for forming a wiring having a buried wiring structure.
[0002]
[Prior art]
In the LSIs of the 0.18 μm generation or later, the miniaturization of wiring has progressed, and it has become impossible to ignore the RC delay (wiring delay due to the resistance R and the capacitance C) in order to increase the speed of the transistor. Accordingly, semiconductor devices adopting a low dielectric constant film as an interlayer insulating film or introducing a copper wiring having a higher conductivity than an aluminum wiring conventionally used as a wiring material are increasing. Because copper has a higher melting point than aluminum, copper is less likely to deform, and as a result, migration (atom transfer), which is prominent in aluminum wiring, is expected to be less likely to occur.
[0003]
However, it has become clear that stress migration and electromigration also occur in copper wiring used in semiconductor devices, and disconnection of wiring has begun to become a problem due to migration. As used in aluminum wiring, it has already been adopted to add impurities to the wiring material and harden the wiring material to make migration less likely to occur. In order to achieve the same effect, there has been reported a case in which impurities such as silver (Ag), niobium (Nb), and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) are added to a copper wiring (for example, see Patent Document 1). .).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3040745 (page 3, FIG. 8)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the method of adding impurities is mainly a method using a sputtering method, in the case of trench wiring, it becomes difficult to introduce impurities into the wiring as the wiring width becomes narrower. Further, when the seed layer used in the electrolytic plating is formed by the sputtering method, the coverage to the trench wiring side wall and the bottom becomes uniform, so that the impurity concentration in the wiring after annealing becomes non-uniform. Further, in the method of sputtering a metal that is lower than copper, there is a problem that an additive element is eluted during copper electrolytic plating.
[0006]
Further, when the sputtering method is used, there is a problem that the frontage portion 113 becomes narrow due to overhang of the impurity layer 116 or the like depending on the sputtering conditions, as shown in FIG. 4, and the barrier metal layer (barrier layer) 114 and the copper seed layer 115 When the entirety of the impurity layer 116 is formed by sputtering, overhanging at the opening is promoted, and as shown in FIG. There is also a problem that the void 131 is likely to generate, for example, due to the improper embedding.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a method for manufacturing a semiconductor device which has been made to solve the above-mentioned problems.
[0008]
According to a first method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a wiring recess is formed on an interlayer insulating film formed on a semiconductor substrate, and the wiring recess is formed over the entire surface of the interlayer insulating film including the inner surface of the wiring recess. A step of forming a barrier layer having a copper diffusion barrier property, a step of forming a seed layer of electrolytic plating over the entire surface of the interlayer insulating film including the inner surface of the wiring recess, and an electrochemical film forming method Forming an impurity layer on the seed layer, forming a conductive layer so as to fill the wiring recess, and diffusing an element contained in the impurity layer into the conductive layer by heat treatment. And a step of removing excess from the conductive layer to the barrier layer on the interlayer insulating film.
[0009]
In the first method for manufacturing a semiconductor device, since the impurity layer is formed by using an electrochemical film formation method having better step coverage than the sputtering method, an impurity layer having excellent step coverage with reduced overhang is formed. You. Therefore, it is possible to reduce the embedding defect of the conductive layer and to uniformly diffuse the element contained in the impurity layer into the conductive layer. In addition, by forming the impurity layer using a metal that is more noble than copper, when the conductive layer is formed by copper electrolytic plating, particularly when the conductive layer comes into contact with a copper electrolytic plating solution, the impurity layer becomes a protective film. The element of the seed layer does not elute into the copper electrolytic plating solution.
[0010]
According to a second method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a wiring recess is formed on an interlayer insulating film formed on a semiconductor substrate, and the wiring recess is formed over the entire surface of the interlayer insulating film including the inner surface of the wiring recess. A step of forming a barrier layer having a copper diffusion barrier property, a step of forming a seed layer of electrolytic plating over the entire surface of the interlayer insulating film including the inner surface of the wiring recess, and an electrochemical film forming method Forming a catalyst layer on the seed layer, forming an impurity layer using the catalyst layer, forming a conductive layer so as to fill the wiring recess, and heat treating the catalyst layer. And a step of diffusing an element contained in the impurity layer into the conductive layer, and a step of removing excess from the conductive layer to the barrier layer on the interlayer insulating film.
[0011]
In the second method for manufacturing a semiconductor device, since the catalyst layer and the impurity layer are formed by using an electrochemical film forming method having better step coverage than the sputtering method, the impurity having excellent step coverage with reduced overhang is provided. A layer is formed. For this reason, it is possible to reduce the embedding failure of the conductive layer and to uniformly diffuse the elements contained in the catalyst layer and the impurity layer into the conductive layer. Also, by using a metal which is nobler than copper for the impurity layer, when the conductive layer is formed by copper electrolytic plating, particularly when the conductive layer comes into contact with a copper electrolytic plating solution, the impurity layer becomes a protective film and becomes a copper electrolytic plating. The element of the seed layer does not elute into the liquid.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A first embodiment according to a first method of manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to a manufacturing process sectional view of FIG.
[0013]
As shown in FIG. 1A, after a predetermined element (not shown) is formed on a semiconductor substrate 11, an interlayer insulating film 12 is formed. Further, a groove 13 is formed in the insulating film 12 as a wiring recess. Subsequently, the barrier layer 14 is formed of, for example, tantalum (Ta) or tantalum nitride (TaN) having a diffusion barrier property of copper by a PVD method, and the seed layer 15 used at the time of electrolytic plating of copper is formed of copper.
[0014]
Next, as shown in FIG. 1B, the seed layer 15 is brought into contact with an aqueous solution containing palladium chloride ions, and palladium is deposited on the seed layer 15 by displacement plating to form an impurity layer 16. In this displacement plating, for example, an aqueous solution of palladium chloride (0.2 mol / L) is used, and the impurity layer 16 is formed by immersion in the solution at room temperature for 30 seconds. Since the palladium ion in the aqueous palladium chloride solution has a smaller ionization tendency than the copper ion, substitution of electrons in the copper and the palladium ion of the seed layer 15 occurs, and instead of the copper ion being dissolved, palladium is replaced on the copper seed layer 15. Is deposited. Thus, the palladium impurity layer 16 is formed by the electrochemical film forming method. At this time, the impurity layer 16 may not be a continuous film, for example, it is formed in a so-called island shape.
[0015]
Subsequently, as shown in FIG. 1C, the conductive film 17 is formed by electrolytic plating via the barrier layer 14, the seed layer 15 and the impurity layer 16 so as to fill the trench 13 on the interlayer insulating film 12. For example, it is formed of copper. Generally, copper plating is performed to a thickness of about 1 micron at a current density of 6 mA / cm 2 to 20 mA / cm 2 using a copper sulfate-based plating solution (here, as an example, 6 mA / cm 2 : 1 minute). Then, plating was performed at 20 mA / cm 2 until the total power reached 13.0 A · min.).
[0016]
Subsequently, as shown in FIG. 1D, by heat treatment, the palladium in the impurity layer 16 (refer to FIG. 1C) is converted to a copper conductive film 17 (see FIG. 1C). Including the layer 15: hereinafter, the seed layer 15 and the conductive film 17 are also diffused. This heat treatment is performed, for example, at a temperature of 150 ° C. to 350 ° C. (here, as an example, furnace annealing at 200 ° C. is performed for 30 minutes). FIG. 1 (4) shows the state after palladium has been diffused.
[0017]
Thereafter, as shown in FIG. 1 (5), the conductive film 17 is left only in the trench 13 via the barrier layer 14 by chemical mechanical polishing (CMP) or electrolytic polishing or the like so that the conductive film 17 is left. Unnecessary conductive film 17 and barrier layer 14 are removed. In this way, the wiring 18 made of the conductive film 17 in which palladium is diffused via the barrier layer 14 in the groove 13 is formed.
[0018]
The displacement plating is not limited to the palladium displacement plating, and the same effect can be obtained by displacement plating silver (Ag) using an aqueous silver nitrate solution. Alternatively, a commercially available catalyzer (palladium chloride / stannic chloride / hydrochloric acid aqueous solution) is applied to the substrate, and then a commercially available accelerator (sulfuric acid / hydrochloric acid aqueous solution) is applied to release the tin and adhere the palladium to the surface. May be used.
[0019]
In the first method for manufacturing a semiconductor device, since the impurity layer 16 is formed using an electrochemical film forming method having better step coverage than the sputtering method, the impurity layer 16 having less overhang and having excellent step coverage can be formed. It is formed. For this reason, it is possible to reduce the embedding defect of the conductive layer 17 and to uniformly diffuse the element contained in the impurity layer 16 into the conductive layer 17. In addition, since the impurity layer 16 is formed of a metal that is more noble than copper, the impurity layer 16 does not elute when the conductive layer 17 is formed by copper electrolytic plating.
[0020]
Next, a second embodiment of the first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the cross-sectional views of the manufacturing process shown in FIG.
[0021]
As shown in FIG. 2A, after forming a predetermined element (not shown) on a semiconductor substrate 11, an interlayer insulating film 12 is formed. Further, a groove 13 serving as a wiring recess is formed in the interlayer insulating film 12. Subsequently, the barrier layer 14 is formed of, for example, tantalum (Ta) or tantalum nitride (TaN) having a copper diffusion barrier property by a PVD method, and the seed layer 15 used at the time of electrolytic plating is formed of copper.
[0022]
Next, as shown in FIG. 2 (2), electrolytic plating is performed using an aqueous solution of palladium sulfate (0.2 mol / L to 0.5 mol / L). At this time, the replacement plating is started at the same time when the copper seed layer 15 is brought into contact with the plating solution, and there is a possibility that the copper (seed layer 15) may be etched more than necessary. And let it wet. After that, palladium plating (corresponding to a film thickness of 1 nm) is performed at 2 mA / cm 2 at an electric quantity of 0.01 A · min to form an impurity layer 16 on the surface of the seed layer 15. Thus, the impurity layer 16 is formed by an electrochemical film forming method.
[0023]
Subsequently, as shown in FIG. 2C, the conductive film 17 is formed by electrolytic plating via the barrier layer 14, the seed layer 15 and the impurity layer 16 so as to fill the inside of the groove 13 on the interlayer insulating film 12. For example, it is formed of copper. At this time, the impurity layer 16 has an effect of acting as an etching prevention film for the seed layer 15 when forming the conductive film 17.
[0024]
Subsequently, as shown in FIG. 2D, the palladium in the impurity layer 16 (see FIG. 2C) is converted into a conductive film 17 (seed layer 15 shown in FIG. 2C) by heat treatment. (Hereinafter referred to as the conductive film 17 including the seed layer 15). This heat treatment is performed, for example, at a temperature of 150 ° C. to 350 ° C. (here, as an example, furnace annealing at 200 ° C. is performed for 30 minutes). FIG. 2 (4) shows a state after palladium has been diffused.
[0025]
Thereafter, as shown in (5) of FIG. 2, the insulating film 12 is formed on the insulating film 12 by chemical mechanical polishing (CMP) or electrolytic polishing so that the conductive film 17 is left only in the groove 13 via the barrier layer 14. Unnecessary conductive film 17 and barrier layer 14 are removed. In this way, the wiring 18 made of the conductive film 17 in which palladium is diffused via the barrier layer 14 in the groove 13 is formed.
[0026]
The formation of the impurity layer 16 by the electrolytic plating method is not limited to the electrolytic plating method of palladium, and silver (Ag) may be plated to the same thickness as palladium using an aqueous silver nitrate / potassium iodide solution. Similar effects can be obtained. Electroplating may be performed using a silver cyanide / potassium cyanide aqueous solution.
[0027]
In the second embodiment, since the impurity layer 16 is formed by using an electrochemical film forming method (electrolytic plating method) having better step coverage than the sputtering method, the impurity having excellent step coverage with less overhang is formed. Layer 16 is formed. For this reason, it is possible to reduce the embedding defect of the conductive layer 17 and to uniformly diffuse the element contained in the impurity layer 16 into the conductive layer 17. In addition, since the impurity layer 16 is formed of a metal that is more noble than copper, the impurity layer 16 does not elute when the conductive layer 17 is formed by copper electrolytic plating.
[0028]
Next, an embodiment of the second method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the manufacturing process sectional views of FIGS.
[0029]
As shown in FIG. 3A, after a predetermined element (not shown) is formed on a semiconductor substrate 11, an interlayer insulating film 12 is formed. Further, a groove 13 serving as a wiring recess is formed in the insulating film 12. Subsequently, the barrier layer 14 is formed of, for example, tantalum (Ta) or tantalum nitride (TaN) having a copper diffusion barrier property by a PVD method, and the seed layer 15 used at the time of electrolytic plating is formed of copper.
[0030]
Next, as shown in FIG. 3 (2), catalysis generally used for electroless plating is performed. A commercially available catalyzer (palladium chloride / stannic chloride / hydrochloric acid aqueous solution) is applied to the surface of the seed layer 15, and then a commercially available accelerator (sulfuric acid / hydrochloric acid aqueous solution) is applied to release tin and deposit palladium on the surface of the seed layer 15. Then, the catalyst layer 21 is formed. At this time, the catalyst layer 21 does not have to be a continuous film, for example, is formed in a so-called island shape.
[0031]
Thereafter, as shown in (3) of FIG. 3, a silver nitrate / ammonia aqueous solution (silver solution) and a reducing agent solution (for example, formalin aqueous solution) are mixed on the surface of the substrate (seed layer 15) using, for example, a spray gun. Then, a silver (Ag) is deposited using the palladium catalyst layer 21 (see (2) in FIG. 3) to form a silver impurity layer 16 having a thickness of about 1 nm with palladium as a nucleus. . Thus, the catalyst layer 21 and the impurity layer 16 are formed by an electrochemical film forming method.
[0032]
Subsequently, as shown in FIG. 3D, a conductive film 17 is formed by electrolytic plating via the barrier layer 14, the seed layer 15 and the impurity layer 16 so as to fill the inside of the groove 13 on the interlayer insulating film 12. For example, it is formed of copper. At this time, the impurity layer 16 has an effect of acting as an etching prevention film for the seed layer 15 when forming the conductive film 17.
[0033]
Subsequently, as shown in FIG. 3 (5), the palladium in the impurity layer 16 (see FIG. 3 (4)) is converted into a conductive film 17 (see FIG. 3 (4)) by heat treatment. Including: the conductive layer 17 including the seed layer 15). This heat treatment is performed, for example, at a temperature of 150 ° C. to 350 ° C. (here, as an example, furnace annealing at 200 ° C. is performed for 30 minutes). FIG. 3 (5) shows a state after palladium and silver are diffused.
[0034]
Thereafter, as shown in FIG. 3 (6), the conductive film 17 is left only in the trench 13 via the barrier layer 14 by chemical mechanical polishing (CMP) or electrolytic polishing or the like so that the conductive film 17 is left on the interlayer insulating film 12. Unnecessary conductive film 17 and barrier layer 14 are removed. In this way, the wiring 18 made of the conductive film 17 in which palladium is diffused via the barrier layer 14 in the groove 13 is formed.
[0035]
In the characterization method as in the above embodiment, palladium is generally used for the catalyst layer 21, but silver (Ag), platinum (Pt), and gold (Au) can be used, for example. . In the case of an electroless plating solution using a reducing agent such as hypophosphorous acid or formalin, a nickel (Ni) catalyst layer and a cobalt (Co) catalyst layer can be used.
[0036]
For the electroless plating of Pd or Ag, a normal immersion method may be used.
[0037]
In the second method for manufacturing a semiconductor device, since the catalyst layer 21 and the impurity layer 16 are formed by using an electrochemical film forming method having better step coverage than the sputtering method, the step coverage with less overhang is excellent. Impurity layer 16 is formed. For this reason, it is possible to reduce the embedding defect of the conductive layer 17 and to uniformly diffuse the element contained in the impurity layer 16 into the conductive layer 17. Further, by using a metal which is nobler than copper for the impurity layer 16, the elements of the impurity layer 16 do not elute when the conductive layer 17 is formed by copper electrolytic plating.
[0038]
In each of the above embodiments, the so-called single damascene structure in which only the trench wiring is formed is described. However, a wiring groove and a connection hole reaching the lower layer wiring are formed at the bottom of the wiring groove. The present invention can be applied to a so-called dual damascene structure in which a trench wiring and a plug connected to a lower wiring are formed at the same time by embedding a conductive film in the substrate, and the same effect can be obtained.
[0039]
In each of the above embodiments, palladium is used as a metal nobler than the seed layer 15 made of copper used for the impurity layer 16. However, the impurity layer may be made of a metal nobler than copper, for example, silver (Ag). ), Platinum (Pt), gold (Au), or the like. In particular, it is preferable to use palladium and silver as the metal having migration resistance without increasing the specific resistance of copper.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, since the impurity layer is formed by an electrochemical film forming method, the impurity layer is formed with good coverage and without overhang. An element (Pd, Ag, or the like) of an impurity layer can be uniformly added to a conductive film in which a wiring is formed, so that electromigration resistance, that is, reliability of the wiring can be improved. In addition, the use of a metal which is more noble than copper for the impurity layer also has the effect of reinforcing the seed layer, and prevents elution of the seed layer during electrolytic plating for forming a conductive film (at the moment of contact with the electrolytic plating solution). Therefore, the embedding property of the electrolytic plating can be improved. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor device having highly reliable wiring.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention in FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the second embodiment of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, which is shown in FIG. 2;
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing step of the embodiment of the second manufacturing method of the semiconductor device according to the present invention in FIG. 3;
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating a defect due to an overhang of an impurity layer.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating a failure in embedding a copper film due to overhang.
[Explanation of symbols]
11 semiconductor substrate, 12 interlayer insulating film, 13 groove, 14 barrier layer, 15 seed layer, 16 impurity layer, 17 conductive layer

Claims (6)

半導体基板上に形成された層間絶縁膜上に配線用凹部を形成する工程と、
前記配線用凹部の内面を含む層間絶縁膜上の全面に亘って銅の拡散バリア性を有するバリア層を形成する工程と、
前記配線用凹部の内面を含む層間絶縁膜上の全面に亘って電解めっきのシード層を形成する工程と、
電気化学的な成膜方法により前記シード層上に不純物層を形成する工程と、
前記配線用凹部を埋め込むように導電層を形成する工程と、
熱処理により前記不純物層に含まれている元素を前記導電層中に拡散させる工程と、
前記層間絶縁膜上の余剰な前記導電層から前記バリア層までを除去する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a wiring recess on the interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate;
Forming a barrier layer having a copper diffusion barrier property over the entire surface of the interlayer insulating film including the inner surface of the wiring recess;
Forming a seed layer of electrolytic plating over the entire surface of the interlayer insulating film including the inner surface of the wiring recess;
Forming an impurity layer on the seed layer by an electrochemical film forming method;
Forming a conductive layer so as to fill the wiring recess,
Diffusing the element contained in the impurity layer into the conductive layer by heat treatment;
Removing the excess from the conductive layer to the barrier layer on the interlayer insulating film.
前記不純物層は、前記シード層よりも貴な金属を置換めっきすることにより形成される
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the impurity layer is formed by displacement plating a metal which is more noble than the seed layer.
前記不純物層は、スズイオンを用いたセンシタイジング−アクチベーティング法を用いてパラジウムを付着させることにより形成する
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The method according to claim 1, wherein the impurity layer is formed by depositing palladium using a sensitizing-activating method using tin ions.
前記不純物層は、前記シード層よりも貴な金属を電解めっきすることにより形成される
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the impurity layer is formed by electroplating a metal that is nobler than the seed layer.
半導体基板上に形成された層間絶縁膜上に配線用凹部を形成する工程と、
前記配線用凹部の内面を含む層間絶縁膜上の全面に亘って銅の拡散バリア性を有するバリア層を形成する工程と、
前記配線用凹部の内面を含む層間絶縁膜上の全面に亘って電解めっきのシード層を形成する工程と、
電気化学的な成膜方法により前記シード層上に触媒層を形成する工程と、
前記触媒層を利用して不純物層を形成する工程と、
前記配線用凹部を埋め込むように導電層を形成する工程と、
熱処理により前記触媒層および前記不純物層に含まれている元素を前記導電層中に拡散させる工程と、
前記層間絶縁膜上の余剰な前記導電層から前記バリア層までを除去する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a wiring recess on the interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate;
Forming a barrier layer having a copper diffusion barrier property over the entire surface of the interlayer insulating film including the inner surface of the wiring recess;
Forming a seed layer of electrolytic plating over the entire surface of the interlayer insulating film including the inner surface of the wiring recess;
Forming a catalyst layer on the seed layer by an electrochemical film forming method,
Forming an impurity layer using the catalyst layer;
Forming a conductive layer so as to fill the wiring recess,
Diffusing the elements contained in the catalyst layer and the impurity layer into the conductive layer by heat treatment;
Removing the excess from the conductive layer to the barrier layer on the interlayer insulating film.
前記不純物層は、前記シード層よりも貴な金属を無電解めっきすることにより形成される
ことを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。
6. The method according to claim 5, wherein the impurity layer is formed by electrolessly plating a metal that is more noble than the seed layer.
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