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JP2007335547A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2007335547A
JP2007335547A JP2006164268A JP2006164268A JP2007335547A JP 2007335547 A JP2007335547 A JP 2007335547A JP 2006164268 A JP2006164268 A JP 2006164268A JP 2006164268 A JP2006164268 A JP 2006164268A JP 2007335547 A JP2007335547 A JP 2007335547A
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insulating film
film
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via hole
semiconductor device
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JP2006164268A
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Koji Tamura
好司 田村
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Sharp Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having embedded metal wiring of dual damascene structure wherein the unevenness is suppressed in the processed shape of the connection between lower layer metal wiring and a via hole. <P>SOLUTION: An interlayer dielectric is formed between the lower layer metal wiring 101 and upper layer metal wiring 113 as a three layer structure of a first insulating film 102, a second insulating film 103 whose etch rate is higher than that of the first insulating film 102 under the same etching condition, and a third insulating film 104 whose etch rate is higher than that of the second insulating film 103 under the same etching condition. The upper layer metal wiring 113 is embedded in a fourth insulating film 105 on the third insulating film 104. When the via hole 110 is formed passing through the first to the third insulating films 102 and 104, resist residue etc. are removed before the etching processing of the first insulating film 102, and the etching processing of the first insulating film 102 and the formation of a diffusion preventing metal film on the inner wall of the via hole 110 are successively carried out in the same vacuum apparatus. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、デュアルダマシン構造の埋め込み金属配線を有する半導体装置とその製造方法に関し、より詳細には、下層金属配線と上層金属配線間を接続するコンタクトの下層金属配線との接続部の加工形状のバラツキを抑制した半導体装置とその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a dual damascene structure embedded metal wiring and a method for manufacturing the same, and more specifically, a processing shape of a connecting portion between a lower metal wiring and a lower metal wiring of a contact connecting the upper metal wiring. The present invention relates to a semiconductor device in which variation is suppressed and a manufacturing method thereof.

半導体集積回路装置の多層金属配線を形成する方法として埋め込み配線技術が有効である。特に、上層金属配線が形成される配線溝と、上層金属配線と下層金属配線間を電気的に接続するコンタクト用のビアホールとを絶縁膜に形成した後、配線溝とビアホールに同じ金属膜を埋め込んで金属配線とコンタクトとを一体に形成するデュアルダマシン技術は、製造工程の簡略化及び迅速化により、製造コストを著しく低減できるという利点がある。   An embedded wiring technique is effective as a method for forming a multilayer metal wiring of a semiconductor integrated circuit device. In particular, after forming a wiring groove in which the upper metal wiring is formed and a contact via hole for electrically connecting the upper metal wiring and the lower metal wiring in the insulating film, the same metal film is embedded in the wiring groove and the via hole. Thus, the dual damascene technology in which the metal wiring and the contact are integrally formed has an advantage that the manufacturing cost can be significantly reduced by simplifying and speeding up the manufacturing process.

斯かる埋め込み配線のパターン形成には、構造及び製造方法等について様々な提案がなされており、例えば、2種類の低誘電率絶縁膜を用い、上層金属配線と下層金属配線間の層間絶縁膜をハイブリッド構造とした埋め込み配線の形成方法が、下記の特許文献1において開示されている。以下に、層間絶縁膜をハイブリッド構造とした従来の埋め込み配線の形成方法について、図面を参照して説明する。   Various proposals have been made for the structure and manufacturing method for the pattern formation of such embedded wiring. For example, two types of low dielectric constant insulating films are used, and an interlayer insulating film between an upper metal wiring and a lower metal wiring is formed. A method for forming a buried wiring having a hybrid structure is disclosed in Patent Document 1 below. Hereinafter, a conventional method for forming a buried wiring having an interlayer insulating film having a hybrid structure will be described with reference to the drawings.

先ず、図4(a)に示すように、下層金属配線201の上に、第1絶縁膜202、第2絶縁膜203、第3絶縁膜204、及び、第4絶縁膜205を順番に成膜し、その上にビアホールに対応した開口を有するビアパターンレジスト206を形成する。   First, as shown in FIG. 4A, a first insulating film 202, a second insulating film 203, a third insulating film 204, and a fourth insulating film 205 are sequentially formed on the lower metal wiring 201. Then, a via pattern resist 206 having an opening corresponding to the via hole is formed thereon.

次に、図4(b)に示すように、ビアパターンレジスト206をマスクとして、第4絶縁膜205から第2絶縁膜203までをドライエッチングにより加工して、第4絶縁膜205の上面から第1絶縁膜202の上面にまで達する暫定的なビアホール207を形成し、その後、ビアパターンレジスト206を、酸素等のアッシングガスを用いたプラズマアッシングを用いて除去する。   Next, as shown in FIG. 4B, using the via pattern resist 206 as a mask, the fourth insulating film 205 to the second insulating film 203 are processed by dry etching, and the fourth insulating film 205 is exposed from the upper surface. A temporary via hole 207 reaching the upper surface of the insulating film 202 is formed, and then the via pattern resist 206 is removed by plasma ashing using an ashing gas such as oxygen.

次に、図4(c)に示すように、ビアホール207内をフォトレジスト等の材料を用いて埋め込むことで、埋め込み膜208を形成し、その上に上層金属配線が埋め込まれる配線溝に対応した開口を有する溝パターンレジスト209を形成する。   Next, as shown in FIG. 4C, the embedded film 208 is formed by embedding the via hole 207 using a material such as a photoresist, and this corresponds to a wiring groove in which the upper metal wiring is embedded thereon. A groove pattern resist 209 having an opening is formed.

次に、図4(d)に示すように、溝パターンレジスト209をマスクとして、第4絶縁膜205と第3絶縁膜204をドライエッチングにより加工して、第4絶縁膜205から第2の絶縁膜203の上面にまで達する配線溝210を形成する。その後、溝パターンレジスト209を、酸素等のアッシングガスを用いたプラズマアッシングにより除去する。その後、暫定的なビアホール207内に露出している第1絶縁膜202を、C、C、O、N、Ar等のエッチングガスを用いて、選択的にドライエッチングして除去し、下層金属配線201の上面に達する最終的なビアホール207aを形成する。 Next, as shown in FIG. 4D, the fourth insulating film 205 and the third insulating film 204 are processed by dry etching using the groove pattern resist 209 as a mask, so that the second insulating film 205 is subjected to the second insulation. A wiring trench 210 reaching the upper surface of the film 203 is formed. Thereafter, the groove pattern resist 209 is removed by plasma ashing using an ashing gas such as oxygen. Thereafter, the first insulating film 202 exposed in the provisional via hole 207, using C x F y, C x H x F z, O 2, N 2, an etching gas such as Ar, selectively A final via hole 207a reaching the upper surface of the lower metal wiring 201 is formed by removing by dry etching.

次に、図5(a)に示すように、ウェットクリーニング処理を行い、ビアホール207a内に残留するCF系ポリマー211を除去する。   Next, as shown in FIG. 5A, a wet cleaning process is performed to remove the CF polymer 211 remaining in the via hole 207a.

次に、図5(b)に示すように、配線溝210とビアホール207aの内壁面を含む表面全体に、上層金属配線とコンタクト用の導電性金属材料の絶縁膜内への拡散を防止する拡散防止金属膜214を成膜する。   Next, as shown in FIG. 5B, diffusion that prevents diffusion of the upper metal wiring and the conductive metal material for contact into the insulating film over the entire surface including the inner wall surfaces of the wiring groove 210 and the via hole 207a. A prevention metal film 214 is formed.

次に、図5(c)に示すように、前記拡散防止金属膜214上に、導電性金属材料215を堆積する。   Next, as shown in FIG. 5C, a conductive metal material 215 is deposited on the diffusion preventing metal film 214.

次に、図5(d)に示すように、配線溝210とビアホール207aの内部を除いて、導電性金属材料215と拡散防止金属膜214を順番にCMP(化学的機械的研磨)法により除去して、ビアホール207a内にコンタクト216を、配線溝210内に上層金属配線217を夫々形成する。   Next, as shown in FIG. 5D, the conductive metal material 215 and the diffusion prevention metal film 214 are sequentially removed by CMP (Chemical Mechanical Polishing) method except for the inside of the wiring trench 210 and the via hole 207a. Then, the contact 216 is formed in the via hole 207a, and the upper metal wiring 217 is formed in the wiring groove 210, respectively.

特開2005−5728号公報JP 2005-5728 A

しかしながら、上記従来の埋め込み配線の形成方法では、暫定的なビアホール207内に露出した第1絶縁膜202をドライエッチングにより除去する際に、ビアホール207a内にはCF系ポリマー211が付着し、下層金属配線201の金属材料であるCu中へのフッ素の侵入により、下層金属配線201表面には主にCuFから成るダメージ層212が形成される。その後、ビアホール207a内のCF系ポリマー211を除去するウェットクリーニングの際に、主にCuFから成るダメージ層212が除去されることにより、下層金属配線201のビアホール207aの周縁部下方にアンダーカット部分213が発生する。このアンダーカット213の発生により、埋め込み配線構造の良好な加工形状が得られず、下層金属配線201の抵抗ばらつきが増大する。 However, in the conventional method for forming embedded wiring, when the first insulating film 202 exposed in the temporary via hole 207 is removed by dry etching, the CF-based polymer 211 adheres in the via hole 207a, and the lower layer metal Due to the penetration of fluorine into Cu, which is the metal material of the wiring 201, a damage layer 212 mainly made of CuF x is formed on the surface of the lower metal wiring 201. Thereafter, when the wet cleaning for removing CF-based polymer 211 in the via hole 207a, primarily by damage layer 212 made of CuF x is removed, an undercut portion on the periphery below the via holes 207a of the lower metal interconnect 201 213 occurs. Due to the occurrence of the undercut 213, a favorable processed shape of the embedded wiring structure cannot be obtained, and the resistance variation of the lower layer metal wiring 201 increases.

また、一般的に第1絶縁膜202に使用されるシリコン窒化膜やSiCN膜等は、誘電率が高く、このため配線間容量が大きくなる。また、ビアホール207a内にあった第1絶縁膜202の除去後から、配線溝210とビアホール207aの内壁面を含む表面全体への拡散防止金属膜214を成膜する工程の間、下層金属配線201の金属表面が大気に晒される等の影響により酸化される。この金属表面の酸化の影響により、半導体集積回路装置の性能、歩留り、或いは、信頼性が低下する虞がある。   In general, a silicon nitride film, a SiCN film, or the like used for the first insulating film 202 has a high dielectric constant, which increases the capacitance between wirings. Further, after the removal of the first insulating film 202 in the via hole 207a, during the step of forming the diffusion preventing metal film 214 over the entire surface including the wiring trench 210 and the inner wall surface of the via hole 207a, the lower layer metal wiring 201 is formed. The metal surface is oxidized by the influence of exposure to the atmosphere. There is a risk that the performance, yield, or reliability of the semiconductor integrated circuit device may deteriorate due to the influence of the oxidation of the metal surface.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、デュアルダマシン構造の埋め込み金属配線を有する半導体装置において、下層金属配線とビアホールとの接続部の加工形状のバラツキを抑制した半導体装置を提供する点にある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to suppress variations in the processing shape of a connection portion between a lower metal wiring and a via hole in a semiconductor device having a dual damascene structure embedded metal wiring. A semiconductor device is provided.

上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された下層金属配線と前記下層金属配線の側方に充填された下層絶縁膜の各上面に接して、第1絶縁膜を堆積する工程と、前記第1絶縁膜の上面に同じエッチング条件において前記第1絶縁膜よりエッチング速度の速い第2絶縁膜を堆積する工程と、前記第2絶縁膜の上面に同じエッチング条件において前記第2絶縁膜よりエッチング速度の速い第3絶縁膜を堆積する工程と、前記第3絶縁膜の上面に前記第3絶縁膜と異なる材質の第4絶縁膜を堆積する工程と、前記第4絶縁膜の一部を前記第3絶縁膜の上面が露出するまでエッチング加工して上層金属配線用の溝部を形成する工程と、前記第3絶縁膜の前記溝部による露出個所の一部を前記第2絶縁膜の上面が露出するまでエッチング加工して、前記下層金属配線と前記上層金属配線間を電気的に接続するコンタクト用のビアホールの上部を形成する工程と、前記第2絶縁膜の前記ビアホールの上部による露出個所を前記第1絶縁膜の上面が露出するまでエッチング加工して前記ビアホールの中間部を形成する工程と、前記第1絶縁膜の前記ビアホールの中間部による露出個所を前記下層金属配線の上面が露出するまでエッチング加工して前記ビアホールの下部を形成する工程と、前記ビアホールと前記溝部の内壁面を含む全面に拡散防止金属膜を形成する工程と、前記上層金属配線用と前記コンタクト用の金属材料を前記拡散防止金属膜上に堆積して前記ビアホールと前記溝部の内部に充填する工程と、前記ビアホールと前記溝部の外部の前記拡散防止金属膜と前記金属材料を除去して、前記ビアホール内に前記コンタクトを形成し、前記溝部内に前記上層金属配線を形成する工程と、を有することを第1の特徴とする。   In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is in contact with each upper surface of a lower layer metal wiring formed on a semiconductor substrate and a lower insulating film filled laterally of the lower layer metal wiring, Depositing a first insulating film, depositing a second insulating film having a higher etching rate than the first insulating film under the same etching conditions on the upper surface of the first insulating film, and depositing on the upper surface of the second insulating film Depositing a third insulating film having a higher etching rate than the second insulating film under the same etching conditions; depositing a fourth insulating film made of a material different from the third insulating film on an upper surface of the third insulating film; Etching a part of the fourth insulating film until an upper surface of the third insulating film is exposed to form a groove for an upper metal wiring, and one of the exposed portions of the third insulating film by the groove. Part of the second insulating film Etching until the upper surface is exposed to form an upper part of a contact via hole that electrically connects the lower metal wiring and the upper metal wiring, and exposure of the second insulating film by the upper part of the via hole Etching the portion until the upper surface of the first insulating film is exposed to form an intermediate portion of the via hole; and exposing the portion of the first insulating film by the intermediate portion of the via hole to the upper surface of the lower metal wiring Etching until exposed to form a lower portion of the via hole, forming a diffusion prevention metal film on the entire surface including the via hole and the inner wall surface of the groove, and metal for the upper metal wiring and the contact Depositing a material on the diffusion-preventing metal film and filling the via hole and the groove, and outside the via hole and the groove. Removing the serial diffusion barrier metal film and the metal material, the contact is formed in the via hole, the first characterized by having the steps of forming the upper metal interconnect in said groove.

更に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記第1の特徴に加え、同じ真空装置内で、前記ビアホールの下部を形成する工程をスパッタリング法で行った後、前記ビアホールと前記溝部の内壁面を含む全面に拡散防止金属膜を形成する工程を連続して行うことを第2の特徴とする。   Furthermore, in addition to the first feature, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes performing a step of forming a lower portion of the via hole by a sputtering method in the same vacuum apparatus, and then, within the via hole and the groove portion. The second feature is that the step of forming the diffusion preventing metal film on the entire surface including the wall surface is continuously performed.

更に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記第1または第2の特徴に加え、前記第4絶縁膜を堆積する工程に引き続いて、前記第4絶縁膜の上面に同じエッチング条件において前記第4絶縁膜よりエッチング速度の遅い第5絶縁膜を堆積する工程を、更に有し、前記溝部を形成する工程において、前記第5絶縁膜の一部を前記第4絶縁膜の上面が露出するまでエッチング加工して前記溝部用のハードマスクを形成し、前記ハードマスクを用いて前記第4絶縁膜の一部をエッチング加工することを第3の特徴とする。   Furthermore, in the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, in addition to the first or second feature, following the step of depositing the fourth insulating film, the upper surface of the fourth insulating film is subjected to the same etching conditions. The method further includes depositing a fifth insulating film having an etching rate slower than that of the fourth insulating film, and in the step of forming the groove portion, a part of the fifth insulating film is exposed on an upper surface of the fourth insulating film. A third feature is that a hard mask for the groove is formed by etching until a part of the fourth insulating film is etched using the hard mask.

更に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記第3の特徴に加え、前記溝部を形成する工程において、前記第4絶縁膜の一部をエッチング加工するのと同時に、前記ハードマスク形成時に使用したレジスト膜をエッチング除去することを第4の特徴とする。   Furthermore, in addition to the third feature, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, at the time of forming the hard mask, at the same time as etching the part of the fourth insulating film in the step of forming the groove. A fourth feature is to remove the used resist film by etching.

更に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記何れかの特徴に加え、前記ビアホールの中間部を形成する工程において、前記ビアホールの上部形成時に使用したレジスト膜をエッチング除去することを第5の特徴とする。   Furthermore, in addition to any one of the above features, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes, in the step of forming the intermediate portion of the via hole, removing the resist film used when forming the upper portion of the via hole by etching. It is characterized by.

更に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記何れかの特徴に加え、前記第1絶縁膜が窒化シリコン膜とSiCN膜の少なくとも何れか一方を含み、前記第1絶縁膜の膜厚が5〜10nmであることを第6の特徴とする。   Furthermore, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in addition to any of the above features, the first insulating film includes at least one of a silicon nitride film and a SiCN film, and the film thickness of the first insulating film is The sixth characteristic is that the thickness is 5 to 10 nm.

更に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記第6の特徴に加え、前記第1絶縁膜を、原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition)を用いて、400℃以下の低温で成膜することを第7の特徴とする。   Furthermore, in the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, in addition to the sixth feature, the first insulating film is formed at a low temperature of 400 ° C. or lower by using an atomic layer deposition (ALD) method. The seventh feature is to form a film.

更に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記何れかの特徴に加え、前記第2絶縁膜が有機系低誘電率絶縁膜であることを第8の特徴とする。   Furthermore, the semiconductor device manufacturing method according to the present invention has, in addition to any of the above features, an eighth feature that the second insulating film is an organic low dielectric constant insulating film.

更に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記何れかの特徴に加え、前記第3絶縁膜が、SiOF膜、SiOC膜、SiOCH膜、多孔質シリカ膜、または、その他の無機系低誘電率絶縁膜であることを第9の特徴とする。   Further, in the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, in addition to any of the above features, the third insulating film may be a SiOF film, a SiOC film, a SiOCH film, a porous silica film, or other inorganic low dielectric constant. The ninth feature is that the insulating film is a high-efficiency insulating film.

上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された下層金属配線と前記下層金属配線の側方に充填された下層絶縁膜の各上面に接して形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜の上面に形成された同じエッチング条件において前記第1絶縁膜よりエッチング速度の速い第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜の上面に形成された同じエッチング条件において前記第2絶縁膜よりエッチング速度の速い第3絶縁膜と、前記第3絶縁膜の上面に形成された前記第3絶縁膜と異なる材質の第4絶縁膜と、前記第4絶縁膜の一部を前記第3絶縁膜の上面が露出するまで開口した溝部に1層または複数層の金属材料を充填してなる上層金属配線と、前記第3絶縁膜の前記溝部によって露出した個所の一部を前記第2絶縁膜と前記第1絶縁膜を貫通して前記下層金属配線の上面が露出するまで開口したビアホールに前記上層金属配線と同じ金属材料を充填してなる前記下層金属配線と前記上層金属配線間を電気的に接続するコンタクトと、を備えてなることを第1の特徴とする。   In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a lower layer metal wiring formed on a semiconductor substrate and a lower layer insulating film filling a side of the lower layer metal wiring. 1 insulating film, a second insulating film having a higher etching rate than the first insulating film under the same etching conditions formed on the upper surface of the first insulating film, and the same etching conditions formed on the upper surface of the second insulating film A third insulating film having a higher etching rate than the second insulating film, a fourth insulating film made of a material different from the third insulating film formed on the upper surface of the third insulating film, and one of the fourth insulating films. Upper metal wiring formed by filling one or a plurality of layers of metal material into a groove portion that is open until the upper surface of the third insulating film is exposed, and a portion of the portion exposed by the groove portion of the third insulating film The second insulating film and the second A contact that electrically connects the lower metal wiring and the lower metal wiring by filling a via hole that penetrates through an insulating film until the upper surface of the lower metal wiring is exposed and is filled with the same metal material as the upper metal wiring The first feature is to include the above.

更に、本発明に係る半導体装置は、上記第1の特徴に加え、前記第1絶縁膜が窒化シリコン膜とSiCN膜の少なくとも何れか一方を含み、前記第1絶縁膜の膜厚が5〜10nmであることを第2の特徴とする。   Furthermore, in the semiconductor device according to the present invention, in addition to the first feature, the first insulating film includes at least one of a silicon nitride film and a SiCN film, and the film thickness of the first insulating film is 5 to 10 nm. This is the second feature.

更に、本発明に係る半導体装置は、上記第1または第2の特徴に加え、前記第2絶縁膜が有機系低誘電率絶縁膜であることを第3の特徴とする。   Furthermore, the semiconductor device according to the present invention has a third feature that, in addition to the first or second feature, the second insulating film is an organic low dielectric constant insulating film.

更に、本発明に係る半導体装置は、上記何れかの特徴に加え、前記第3絶縁膜が、SiOF膜、SiOC膜、SiOCH膜、多孔質シリカ膜、または、その他の無機系低誘電率絶縁膜であることを第4の特徴とする。   Furthermore, in addition to any of the above features, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that the third insulating film is a SiOF film, a SiOC film, a SiOCH film, a porous silica film, or other inorganic low dielectric constant insulating film. This is the fourth feature.

上記各特徴の半導体装置の製造方法によれば、上層金属配線と下層金属配線間の層間絶縁膜が第1乃至第3絶縁膜の3層から成り、且つ、上層の絶縁膜ほど同じエッチング条件においてエッチング速度の速い膜材で堆積されるので、当該層間絶縁膜を上側の第3絶縁膜から順番にエッチング加工して上層金属配線と下層金属配線間を接続するコンタクト(導電材料)が充填されるビアホールを形成するに際して、下層側の絶縁膜がエッチングストッパとして機能するので、第2絶縁膜をエッチング加工してビアホールの中間部を形成する工程においてビアホール加工用のレジスト膜を同時にエッチング除去し、最下層の第1絶縁膜をエッチング加工してビアホールを完成する前に、レジスト残渣を完全に除去してクリーンな状態で第1絶縁膜をエッチング加工できる。つまり、第1絶縁膜のエッチング加工後に下層金属配線表面が暴露した状態でビアホール内にCF系ポリマーが残留していないので、下層金属配線内にフッ素が侵入してダメージ層を形成することに起因するアンダーカットの発生を防止できる。結果として、下層金属配線とビアホールとの接続部の加工形状のバラツキを抑制した半導体装置を提供することができ、当該半導体装置の性能、歩留り、並びに、信頼性の向上を図ることができる。   According to the method of manufacturing a semiconductor device having the above characteristics, the interlayer insulating film between the upper metal wiring and the lower metal wiring is composed of three layers of the first to third insulating films, and the upper insulating film has the same etching conditions. Since it is deposited with a film material having a high etching rate, the interlayer insulating film is etched in order from the upper third insulating film, and a contact (conductive material) connecting the upper metal wiring and the lower metal wiring is filled. When forming the via hole, the lower insulating film functions as an etching stopper. Therefore, in the step of etching the second insulating film to form the middle portion of the via hole, the via hole processing resist film is simultaneously etched away, Before the via hole is completed by etching the lower first insulating film, the resist residue is completely removed and the first insulating film is clean. It can be etched. That is, since the CF-based polymer does not remain in the via hole with the surface of the lower metal wiring exposed after the etching of the first insulating film, fluorine enters the lower metal wiring and forms a damaged layer. Can prevent the occurrence of undercut. As a result, it is possible to provide a semiconductor device in which variation in the processing shape of the connection portion between the lower metal wiring and the via hole is suppressed, and the performance, yield, and reliability of the semiconductor device can be improved.

特に、上記第2の特徴の半導体装置の製造方法によれば、ビアホールの完成後に下層金属配線表面が大気に暴露されることなく、その上に拡散防止金属膜が形成されるため、より良好な下層金属配線の品質が確保される。   In particular, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the second feature, the diffusion barrier metal film is formed on the lower metal wiring surface without being exposed to the air after the completion of the via hole, and thus the better. The quality of the lower layer metal wiring is ensured.

特に、上記第7の特徴の半導体装置の製造方法によれば、第1絶縁膜が5〜10nm程度と薄く、ALD法により膜厚均一性が良く形成されているので、第1絶縁膜をエッチング除去した後の膜残渣やエッチング加工による下層金属配線の形状異常の発生を回避できる。   In particular, according to the semiconductor device manufacturing method of the seventh feature, since the first insulating film is as thin as about 5 to 10 nm and the film thickness uniformity is formed by the ALD method, the first insulating film is etched. Occurrence of the shape abnormality of the lower layer metal wiring due to the film residue after the removal or etching processing can be avoided.

また、上記特徴の半導体装置によれば、上層金属配線と下層金属配線間の層間絶縁膜が第1乃至第3絶縁膜の3層から成り、且つ、上層の絶縁膜ほど同じエッチング条件においてエッチング速度の速い膜材で形成されているので、上記特徴の半導体装置の製造方法によって製造することができる。従って、上記特徴の半導体装置の製造方法による効果を奏することができ、下層金属配線とビアホールとの接続部の加工形状のバラツキを抑制した半導体装置を提供することができ、当該半導体装置の性能、歩留り、並びに、信頼性の向上を図ることができる。   Further, according to the semiconductor device having the above characteristics, the interlayer insulating film between the upper metal wiring and the lower metal wiring is composed of three layers of the first to third insulating films, and the upper insulating film is etched at the same etching condition. Therefore, it can be manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device having the above characteristics. Therefore, the effects of the semiconductor device manufacturing method of the above characteristics can be obtained, and a semiconductor device in which variation in the processing shape of the connection portion between the lower layer metal wiring and the via hole can be provided, and the performance of the semiconductor device, Yield and reliability can be improved.

以下、本発明に係る半導体装置及びその製造方法(以下、適宜「本発明装置」及び「本発明方法」と略称する)の実施形態を図面に基づいて説明する。   Embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention (hereinafter abbreviated as “the device of the present invention” and “the method of the present invention” as appropriate) will be described below with reference to the drawings.

図1及び図2は、本発明方法によるデュアルダマシン構造の埋め込み金属配線の形成方法を模式的に示す工程断面図である。また、図3は、本発明方法によって形成された本発明装置の断面構造を模式的に示す断面図である。尚、図1及び図2においては、本発明装置の下層金属配線と、それより上部の上層金属配線と両金属配線を上下方向に電気的に接続するコンタクトのデュアルダマシン構造部分を示しており、下層金属配線より下方部分にあるトランジスタ素子等の記載は省略してある。   1 and 2 are process cross-sectional views schematically showing a method of forming a buried damascene metal wiring having a dual damascene structure according to the method of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional structure of the device of the present invention formed by the method of the present invention. 1 and 2 show a dual damascene structure portion of the lower layer metal wiring of the device of the present invention, the upper layer metal wiring above it, and a contact for electrically connecting both metal wirings in the vertical direction. Description of transistor elements and the like below the lower metal wiring is omitted.

先ず、図3を参照して、本発明方法を用いて作製される本発明装置10の全体の概略構造を説明する。図3に示すように、本発明装置10の下層金属配線101より下方部分では、半導体基板1上に形成された素子分離膜2間の活性領域に公知の技術によりMOS型トランジスタ素子が形成されている。尚、図3では、MOS型トランジスタ素子は、ソース4、ドレイン5、ソース・ドレイン間のチャンネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート3を備えて構成されている。MOS型トランジスタ素子と下層金属配線101の間には層間絶縁膜6が形成され、MOS型トランジスタ素子のドレイン5と下層金属配線101を電気的に接続する第1のコンタクト7が形成されている。第1のコンタクト7の側面及び底面には、第1のコンタクト7の金属材料の拡散を防止する拡散防止金属膜が設けられている。また、下層金属配線101の側面及び底面には、下層金属配線101の金属材料の拡散を防止する拡散防止金属膜が設けられており、層間絶縁膜6の上部で下層金属配線101の側方には下層絶縁膜100が形成されている。尚、第1のコンタクト7、下層金属配線101及び下層絶縁膜100の形成は公知の手法により形成されるものとし、詳細な形成方法についての説明は省略する。例えば、下層金属配線101は後述の上層金属配線113と同様なダマシン法で形成することができる。   First, with reference to FIG. 3, the overall schematic structure of the device 10 of the present invention manufactured using the method of the present invention will be described. As shown in FIG. 3, a MOS type transistor element is formed in the active region between the element isolation films 2 formed on the semiconductor substrate 1 by a known technique in a portion below the lower layer metal wiring 101 of the device 10 of the present invention. Yes. In FIG. 3, the MOS transistor element includes a source 4, a drain 5, and a gate 3 formed on a channel region between the source and drain via a gate insulating film. An interlayer insulating film 6 is formed between the MOS type transistor element and the lower layer metal wiring 101, and a first contact 7 for electrically connecting the drain 5 of the MOS type transistor element and the lower layer metal wiring 101 is formed. A diffusion preventing metal film for preventing diffusion of the metal material of the first contact 7 is provided on a side surface and a bottom surface of the first contact 7. Further, a diffusion preventing metal film for preventing diffusion of the metal material of the lower layer metal wiring 101 is provided on the side surface and the bottom surface of the lower layer metal wiring 101, and on the side of the lower layer metal wiring 101 above the interlayer insulating film 6. A lower insulating film 100 is formed. The first contact 7, the lower metal wiring 101, and the lower insulating film 100 are formed by a known method, and a detailed description of the formation method is omitted. For example, the lower metal wiring 101 can be formed by a damascene method similar to the upper metal wiring 113 described later.

本発明装置10の下層金属配線101より上方部分は、下層金属配線101と下層絶縁膜100の各上面に接して第1絶縁膜102が形成され、更にその上部に、第2絶縁膜と103と第3絶縁膜104と第4絶縁膜105と第5絶縁膜106が順番に形成されている。第4絶縁膜105と第5絶縁膜106は、第3絶縁膜の上面が露出するまで開口した溝部108が形成され、第1絶縁膜102と第2絶縁膜と103と第3絶縁膜104には、下層金属配線101の上面が露出するまで開口したビアホール110が形成されている。溝部108はその内部に金属材料を埋め込んで上層金属配線113とするための溝であり、ビアホール110はその内部に金属材料を埋め込んで上層金属配線113と下層金属配線101間を電気的に接続する第2のコンタクト114を形成するための貫通孔である。溝部108とビアホール110の両内壁面には、金属材料の絶縁膜への拡散を防止する拡散防止金属膜111が形成された上に金属材料が埋め込まれて上層金属配線113と第2のコンタクト114が、所謂デュアルダマシン法で形成されている。   The first insulating film 102 is formed on the upper part of the lower metal wiring 101 of the device 10 of the present invention in contact with the upper surfaces of the lower metal wiring 101 and the lower insulating film 100, and further, the second insulating film 103 and A third insulating film 104, a fourth insulating film 105, and a fifth insulating film 106 are formed in order. The fourth insulating film 105 and the fifth insulating film 106 are formed with a groove 108 that is open until the upper surface of the third insulating film is exposed, and the first insulating film 102, the second insulating film 103, and the third insulating film 104 are formed. Is formed with a via hole 110 that is open until the upper surface of the lower metal wiring 101 is exposed. The groove portion 108 is a groove for embedding a metal material therein to form the upper metal wiring 113, and the via hole 110 is electrically embedded between the upper metal wiring 113 and the lower metal wiring 101 by embedding the metal material therein. This is a through hole for forming the second contact 114. A diffusion prevention metal film 111 for preventing diffusion of the metal material into the insulating film is formed on both inner wall surfaces of the groove 108 and the via hole 110, and the metal material is embedded therein so that the upper metal wiring 113 and the second contact 114 are embedded. However, it is formed by the so-called dual damascene method.

本実施形態では、第2絶縁膜103は同じエッチング条件において第1絶縁膜102よりエッチング速度が速く、第1絶縁膜102に対するエッチング選択比が高くなっている。また、第3絶縁膜104は同じエッチング条件において第2絶縁膜103よりエッチング速度が速く、第2絶縁膜103に対するエッチング選択比が高くなっている。具体的には、第1絶縁膜102は、窒化シリコン膜またはSiCN膜で形成されており、第2絶縁膜103は、ポリイミド膜、フッ素注入されたアモルファス炭素膜等の有機系低誘電率絶縁膜で形成されており、第3絶縁膜104は、SiOF膜、SiOC膜、SiOCH膜、多孔質シリカ膜等の無機系低誘電率絶縁膜で形成されている。   In the present embodiment, the second insulating film 103 has a higher etching rate than the first insulating film 102 under the same etching conditions, and the etching selectivity with respect to the first insulating film 102 is high. In addition, the third insulating film 104 has a higher etching rate than the second insulating film 103 under the same etching conditions, and has a higher etching selectivity than the second insulating film 103. Specifically, the first insulating film 102 is formed of a silicon nitride film or a SiCN film, and the second insulating film 103 is an organic low dielectric constant insulating film such as a polyimide film or an amorphous carbon film implanted with fluorine. The third insulating film 104 is formed of an inorganic low dielectric constant insulating film such as a SiOF film, a SiOC film, a SiOCH film, or a porous silica film.

次に、図1及び図2を参照して、本発明方法による本発明装置10の下層金属配線101より上方部分の埋め込み配線形成に係る各工程の処理手順について説明する。   Next, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the processing procedure of each process relating to the formation of the buried wiring above the lower metal wiring 101 of the device 10 of the present invention according to the method of the present invention will be described.

先ず、図1(a)に示すように、下層金属配線101と下層絶縁膜100の各上面に接して第1絶縁膜102を5〜10nmの膜厚で成膜し、更に、第1絶縁膜102上に、第2絶縁膜103を50〜100nmの膜厚で、第3絶縁膜104を100〜300nmの膜厚で、第4絶縁膜105を100〜300nmの膜厚で、第5絶縁膜106を50〜100nmの膜厚で、順番に夫々成膜する。   First, as shown in FIG. 1A, a first insulating film 102 is formed to a thickness of 5 to 10 nm in contact with the upper surfaces of the lower metal wiring 101 and the lower insulating film 100, and further, the first insulating film On the second insulating film 103, the second insulating film 103 has a thickness of 50 to 100 nm, the third insulating film 104 has a thickness of 100 to 300 nm, the fourth insulating film 105 has a thickness of 100 to 300 nm, and the fifth insulating film. 106 are formed in order with a film thickness of 50 to 100 nm.

本実施形態では、第1絶縁膜102は、第2絶縁膜103にビアホール110の中間部を形成する際のエッチングストッパ層とするため、同じエッチング条件において第2絶縁膜103よりエッチング速度の遅い材料を用い、更には、下層金属配線101の金属材料が第2絶縁膜103中へ拡散するのを防止する拡散防止膜と使用するため、例えば、シリコン窒化膜やSiCN膜等を用いる。また、第1絶縁膜102は、原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition)を用いて、400℃以下の低温で高い膜厚均一性を維持して薄く成膜することが望ましい。   In the present embodiment, the first insulating film 102 is a material whose etching rate is slower than that of the second insulating film 103 under the same etching conditions in order to serve as an etching stopper layer when forming the intermediate portion of the via hole 110 in the second insulating film 103. Further, for example, a silicon nitride film, a SiCN film, or the like is used because it is used as a diffusion prevention film that prevents the metal material of the lower layer metal wiring 101 from diffusing into the second insulating film 103. In addition, the first insulating film 102 is desirably formed thin using an atomic layer deposition (ALD) method while maintaining high film thickness uniformity at a low temperature of 400 ° C. or lower.

第2絶縁膜103は、第3絶縁膜104にビアホール110の上部を形成する際のエッチングストッパ層とするため、同じエッチング条件において第3絶縁膜104よりエッチング速度の遅い材料を用い、更には、下層金属配線101と上層金属配線113間等の配線間容量を低減させるため、例えば、第1絶縁膜102より比誘電率の低いポリイミド膜、フッ素含有アモルファス炭素膜等の有機系低誘電率絶縁膜を用いる。また、第3絶縁膜104は、ビアホール110が形成される層間絶縁膜の最上層膜であり、下層金属配線101と上層金属配線113間等の配線間容量を低減させるため、例えば、第1絶縁膜102より比誘電率の低い、例えば、シリコン酸化膜、SiOF膜、SiOC膜、多孔質シリカ膜等の無機系絶縁膜を用いる。ここで、第1絶縁膜102は、第2絶縁膜103及び第3絶縁膜104より比誘電率が高いので、上層金属配線113と下層金属配線101間の第1乃至第3絶縁膜の3層で構成される層間絶縁膜全体の総膜厚に対して約5%以下の膜厚とすることで、下層金属配線101と上層金属配線113間等の配線間容量低減効果をより効果的に奏することができる。   The second insulating film 103 is made of a material having an etching rate slower than that of the third insulating film 104 under the same etching conditions in order to serve as an etching stopper layer when the upper portion of the via hole 110 is formed in the third insulating film 104. In order to reduce inter-wiring capacitance between the lower metal wiring 101 and the upper metal wiring 113, for example, an organic low dielectric constant insulating film such as a polyimide film having a relative dielectric constant lower than that of the first insulating film 102 or a fluorine-containing amorphous carbon film. Is used. The third insulating film 104 is the uppermost layer film of the interlayer insulating film in which the via hole 110 is formed. For example, the first insulating film 104 is used to reduce the inter-wiring capacitance between the lower metal wiring 101 and the upper metal wiring 113. An inorganic insulating film having a relative dielectric constant lower than that of the film 102, such as a silicon oxide film, a SiOF film, a SiOC film, or a porous silica film, is used. Here, since the first insulating film 102 has a higher dielectric constant than the second insulating film 103 and the third insulating film 104, three layers of first to third insulating films between the upper metal wiring 113 and the lower metal wiring 101 are used. By making the film thickness about 5% or less with respect to the total film thickness of the entire interlayer insulating film constituted by the above, the effect of reducing the inter-wiring capacitance between the lower layer metal wiring 101 and the upper layer metal wiring 113 can be more effectively exhibited. be able to.

第4絶縁膜105は、溝パターンが形成される層間絶縁膜であり、第2絶縁膜103と同様に、配線間容量の低減を図るために有機系低誘電率絶縁膜を用いるのが好ましい。第5絶縁膜106は、第4絶縁膜105に溝部108をエッチング加工する際のハードマスクとするため、同じエッチング条件において第4絶縁膜105よりエッチング速度の遅い材料、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、SiC膜、SiON膜、SiCN膜、SiOF膜等の無機系絶縁膜を用いることができる。尚、第2絶縁膜103と第4絶縁膜105の有機系低誘電率絶縁膜は、例えばスピンコーティング法を用い、第3絶縁膜104と第5絶縁膜106の無機系絶縁膜は、例えばCVD法(化学気相成長法)で成膜する。   The fourth insulating film 105 is an interlayer insulating film in which a groove pattern is formed. Like the second insulating film 103, it is preferable to use an organic low dielectric constant insulating film in order to reduce the capacitance between wirings. The fifth insulating film 106 is a material having a slower etching rate than the fourth insulating film 105 under the same etching conditions, for example, a silicon oxide film, silicon, or the like, in order to serve as a hard mask when the groove 108 is etched in the fourth insulating film 105. An inorganic insulating film such as a nitride film, SiC film, SiON film, SiCN film, or SiOF film can be used. The organic low dielectric constant insulating film of the second insulating film 103 and the fourth insulating film 105 uses, for example, a spin coating method, and the inorganic insulating film of the third insulating film 104 and the fifth insulating film 106 uses, for example, CVD. Film formation is performed by a chemical vapor deposition method.

次に、図1(b)に示すように、第5絶縁膜106の上面に、上層金属配線113が埋め込まれる溝部108と同一個所が開口した溝パターンレジスト107を、通常のフォトリソグラフィ技術で形成する。例えば、フォトレジスト組成物を第5絶縁膜106の上面に塗布し、その後、ArFエキシマレーザースキャナを用いて最適な露光量とフォーカスで露光し、現像を行うことにより、溝パターンレジスト107を形成することができる。フォトレジスト組成物には、例えば、通常のベース樹脂、酸発生剤等を含む化学増幅ポジ型フォトレジスト組成物が用いることができる。   Next, as shown in FIG. 1B, a groove pattern resist 107 having an opening at the same position as the groove 108 in which the upper metal wiring 113 is embedded is formed on the upper surface of the fifth insulating film 106 by a normal photolithography technique. To do. For example, the groove pattern resist 107 is formed by applying a photoresist composition on the upper surface of the fifth insulating film 106, and then performing exposure with an optimum exposure amount and focus using an ArF excimer laser scanner, followed by development. be able to. As the photoresist composition, for example, a chemically amplified positive photoresist composition containing a normal base resin, an acid generator and the like can be used.

次に、図1(c)に示すように、溝パターンレジスト107をマスクとして、C、C、O、CO、Ar等のエッチングガスを用いて、第4絶縁膜105の上面が露出するまで第5絶縁膜106をドライエッチングし、その後連続して第4絶縁膜105と溝パターンレジスト107を、H、N、NH等のエッチングガスを用いて、第3絶縁膜104の上面が露出するまで同時にドライエッチングすることにより、溝部108を形成する。 Next, as shown in FIG. 1 (c), a groove pattern resist 107 as a mask, using a C x F y, C x H x F z, O 2, CO, etching gas such as Ar, the fourth insulating The fifth insulating film 106 is dry-etched until the upper surface of the film 105 is exposed, and then the fourth insulating film 105 and the groove pattern resist 107 are continuously etched using an etching gas such as H 2 , N 2 , and NH 3 . By simultaneously performing dry etching until the upper surface of the third insulating film 104 is exposed, the groove 108 is formed.

次に、図1(d)に示すように、第5絶縁膜106の上面、及び、溝部108の内壁面を含む基板全面に、第2のコンタクト114が埋め込まれるビアホール110と同一個所が開口したビアパターンレジスト109を、溝パターンレジスト107と同様の形成方法で形成する。   Next, as shown in FIG. 1D, the same portion as the via hole 110 in which the second contact 114 is embedded is opened on the upper surface of the fifth insulating film 106 and the entire surface of the substrate including the inner wall surface of the groove 108. A via pattern resist 109 is formed by the same formation method as the groove pattern resist 107.

次に、図2(a)に示すように、ビアパターンレジスト109をマスクとして、C、C、O、N、Ar等のエッチングガスを用いて、第3絶縁膜104を選択的に、第2絶縁膜103の上部が露出するまで、ドライエッチングすることにより、第3絶縁膜104中にビアホール110の上部を形成する。この際、第3絶縁膜104のエッチング選択比は、第2絶縁膜103に対して5〜10と高く設定できるので、第2絶縁膜103の上面で精度良くエッチングを停止ができる。その後連続して、第2絶縁膜103とビアパターンレジスト109を、H、N、NH等のエッチングガスを用いて選択的に、第1絶縁膜102の上面が露出するまで、ドライエッチングすることにより、第1絶縁膜102に達するビアホール110の中間部を形成する。この際、第2絶縁膜103のエッチング選択比は、第1絶縁膜102に対して10以上と高く設定できるので、第1絶縁膜102の上面で精度良くエッチングを停止ができる。その後、ウェットクリーニング処理を行うことにより、レジスト残渣等を除去する。これにより、CF系ポリマー等の下層金属配線101にダメージを及ぼす物質を、次工程の第1絶縁膜102のエッチング加工によって下層金属配線101表面が暴露されるまでに除去することができる。 Next, as shown in FIG. 2A, a third pattern is formed using an etching gas such as C x F y , C x H x F z , O 2 , N 2 , Ar using the via pattern resist 109 as a mask. The upper portion of the via hole 110 is formed in the third insulating film 104 by dry etching the insulating film 104 selectively until the upper portion of the second insulating film 103 is exposed. At this time, since the etching selection ratio of the third insulating film 104 can be set as high as 5 to 10 with respect to the second insulating film 103, the etching can be stopped with high accuracy on the upper surface of the second insulating film 103. Subsequently, the second insulating film 103 and the via pattern resist 109 are dry-etched selectively using an etching gas such as H 2 , N 2 , and NH 3 until the upper surface of the first insulating film 102 is exposed. As a result, an intermediate portion of the via hole 110 reaching the first insulating film 102 is formed. At this time, since the etching selectivity of the second insulating film 103 can be set as high as 10 or more with respect to the first insulating film 102, the etching can be stopped with high accuracy on the upper surface of the first insulating film 102. Thereafter, a resist residue or the like is removed by performing a wet cleaning process. Thereby, a substance that damages the lower layer metal wiring 101 such as CF polymer can be removed before the surface of the lower layer metal wiring 101 is exposed by the etching process of the first insulating film 102 in the next step.

次に、図2(b)に示すように、第3絶縁膜104と第2絶縁膜103を貫通したビアホール110の底面に露出した第1絶縁膜102を、Arガス等を用いてスパッタリングすることにより除去してビアホール110の下部を形成することで、第3絶縁膜104から第1絶縁膜102を貫通するビアホール110を完成させ、その後、当該スパッタリング工程と同じ真空装置内で連続して、溝部108及びビアパターン110の内壁面を含む基板全面に、拡散防止金属膜111を1〜20nmの膜厚でスパッタリング法により成膜する。この際、第1絶縁膜102は5〜10nm程度と薄く、ALD法により膜厚均一性が良く形成されているので、スパッタリングによる第1絶縁膜102除去後の膜残渣やスパッタリングによる形状異常の発生を回避できる。ここで、拡散防止金属膜111は、例えば、タンタル窒化物やタングステン窒化物等を用いて成膜される。また、第1絶縁膜102のスパッタリングと、拡散防止金属膜111の成膜を同じ真空装置内で連続して行うことで、ビアホール110の底面に露出した下層金属配線101が大気中に暴露されることがないので、下層金属配線101の表面酸化を防止できる。   Next, as shown in FIG. 2B, the first insulating film 102 exposed on the bottom surface of the via hole 110 penetrating the third insulating film 104 and the second insulating film 103 is sputtered using Ar gas or the like. The via hole 110 penetrating the first insulating film 102 from the third insulating film 104 is completed by forming the lower portion of the via hole 110 by removing the first through the third insulating film 104, and then continuously in the same vacuum apparatus as in the sputtering step. A diffusion preventing metal film 111 is formed with a film thickness of 1 to 20 nm on the entire surface of the substrate including the inner wall surface 108 and the via pattern 110 by a sputtering method. At this time, since the first insulating film 102 is as thin as about 5 to 10 nm and has a good film thickness uniformity by the ALD method, the film residue after the removal of the first insulating film 102 by sputtering and the occurrence of shape abnormality by sputtering are generated. Can be avoided. Here, the diffusion preventing metal film 111 is formed using, for example, tantalum nitride, tungsten nitride, or the like. Further, the lower metal wiring 101 exposed on the bottom surface of the via hole 110 is exposed to the atmosphere by continuously performing the sputtering of the first insulating film 102 and the formation of the diffusion preventing metal film 111 in the same vacuum apparatus. Therefore, surface oxidation of the lower layer metal wiring 101 can be prevented.

次に、図2(c)に示すように、拡散防止金属膜111上に、上層金属配線113と第2のコンタクト114用の導電性金属材料112として、銅をスパッタリング法或いはメッキ法を用いて、500〜1000nmの膜厚で堆積させる。   Next, as shown in FIG. 2C, copper is used as the conductive metal material 112 for the upper metal wiring 113 and the second contact 114 on the diffusion preventing metal film 111 by sputtering or plating. , Deposited with a film thickness of 500-1000 nm.

次に、図2(d)に示すように、溝部108及びビアホール110の内部以外に堆積した金属材料112と拡散防止金属膜111を、順番にCMP(化学的機械的研磨)法を用いて除去して、溝部108及びビアホール110内に夫々、上層金属配線113と第2のコンタクト114を埋め込み配線として形成する。   Next, as shown in FIG. 2D, the metal material 112 and the diffusion-preventing metal film 111 deposited outside the trenches 108 and the via holes 110 are sequentially removed using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method. Then, the upper metal wiring 113 and the second contact 114 are formed as buried wirings in the trench 108 and the via hole 110, respectively.

金属配線が下層金属配線101と上層金属配線113の2層配線だけの場合には、ボンディングパッド8と表面保護膜9を既存の方法で形成して、図3に示す本発明装置が作製される。   When the metal wiring is only the two-layer wiring of the lower metal wiring 101 and the upper metal wiring 113, the bonding pad 8 and the surface protective film 9 are formed by the existing method, and the device of the present invention shown in FIG. 3 is manufactured. .

以上、本発明方法により形成された上層金属配線113と第2のコンタクト114では、ビアホール110下部の下層金属配線101において加工形状のバラツキが抑制されるため、半導体装置としての性能、歩留り、並びに、信頼性の向上を図ることができる。   As described above, in the upper metal wiring 113 and the second contact 114 formed by the method of the present invention, the variation in the processing shape is suppressed in the lower metal wiring 101 below the via hole 110, so that the performance as a semiconductor device, the yield, and Reliability can be improved.

次に、本発明の別実施形態について説明する。   Next, another embodiment of the present invention will be described.

〈1〉上記実施形態では、下層金属配線101と上層金属配線113間の1組の2層配線構造について詳細に説明したが、同じ埋め込み配線の形成方法により、更に多層配線構造を形成することも可能である。   <1> In the above-described embodiment, a set of two-layer wiring structures between the lower metal wiring 101 and the upper metal wiring 113 has been described in detail. However, a multilayer wiring structure may be further formed by the same embedded wiring forming method. Is possible.

〈2〉上記実施形態では、第1乃至第5絶縁膜102〜106につき、膜材料、膜厚、成膜方法等について詳細に説明したが、これらは、本発明装置及び本発明方法の理解の簡単のために例示したもので、上記膜材料、膜厚、成膜方法等に限定されるものではない。   <2> In the above embodiment, the film material, the film thickness, the film forming method, and the like have been described in detail for the first to fifth insulating films 102 to 106. These are for understanding the device of the present invention and the method of the present invention. It is illustrated for the sake of simplicity, and is not limited to the above film material, film thickness, film forming method, and the like.

〈3〉上記実施形態では、溝部108の形成される層間絶縁膜を第4絶縁膜105と第5絶縁膜106の2層構造としたが、当該層間絶縁膜は、必ずしも上記実施形態の2層構造に限定されるものではなく、1層または3層構造であってもよい。   <3> In the above embodiment, the interlayer insulating film in which the groove 108 is formed has a two-layer structure of the fourth insulating film 105 and the fifth insulating film 106. However, the interlayer insulating film is not necessarily the two-layered structure of the above embodiment. It is not limited to the structure, and may be a one-layer or three-layer structure.

本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、デュアルダマシン構造の埋め込み金属配線を有する半導体装置に利用できる。   The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention can be used for a semiconductor device having a buried damascene metal wiring.

本発明に係る半導体装置の製造方法の一実施形態における埋め込み配線の形成工程の処理手順の一部を模式的に示す工程断面図Process sectional drawing which shows typically a part of process procedure of the formation process of the embedded wiring in one Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention 本発明に係る半導体装置の製造方法の一実施形態における埋め込み配線の形成工程の処理手順の他の一部を模式的に示す工程断面図Process sectional drawing which shows typically another part of the process sequence of the formation process of the embedded wiring in one Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention 本発明に係る半導体装置の一実施形態における全体の概略構造を示す断面図Sectional drawing which shows the whole schematic structure in one Embodiment of the semiconductor device which concerns on this invention 従来の埋め込み配線の形成方法における一部の工程の処理手順を模式的に示す工程断面図Process sectional view schematically showing the processing procedure of some processes in the conventional method for forming embedded wiring 従来の埋め込み配線の形成方法における他の一部の工程の処理手順を模式的に示す工程断面図Process sectional drawing which shows typically the processing procedure of the other part process in the formation method of the conventional embedded wiring

符号の説明Explanation of symbols

1: 半導体基板
2: 素子分離膜
3: ゲート
4: ソース
5: ドレイン
6: 層間絶縁膜
7: 第1のコンタクト
8: ボンディングパッド
9: 表面保護膜
10: 本発明に係る半導体装置
100: 下層絶縁膜
101: 下層金属配線
102: 第1絶縁膜
103: 第2絶縁膜
104: 第3絶縁膜
105: 第4絶縁膜
106: 第5絶縁膜
107: 溝パターンレジスト
108: 溝部
109: ビアパターンレジスト
110: ビアホール
111: 拡散防止金属膜
112: 導電性金属材料
113: 上層金属配線
114: 第2のコンタクト
201: 下層金属配線
202: 第1絶縁膜
203: 第2絶縁膜
204: 第3絶縁膜
205: 第4絶縁膜
206: ビアパターンレジスト
207: 暫定的なビアホール
207a: ビアホール
208: 埋め込み膜
209: 溝パターンレジスト
210: 配線溝
211: CF系ポリマー
212: ダメージ層
213: アンダーカット部分
214: 拡散防止金属膜
215: 導電性金属材料
216: コンタクト
217: 上層金属配線
1: Semiconductor substrate 2: Element isolation film 3: Gate 4: Source 5: Drain 6: Interlayer insulating film 7: First contact 8: Bonding pad 9: Surface protective film 10: Semiconductor device according to the present invention 100: Lower layer insulation Film 101: Lower layer metal wiring 102: First insulating film 103: Second insulating film 104: Third insulating film 105: Fourth insulating film 106: Fifth insulating film 107: Groove pattern resist 108: Groove portion 109: Via pattern resist 110 : Via hole 111: Diffusion preventing metal film 112: Conductive metal material 113: Upper metal wiring 114: Second contact 201: Lower metal wiring 202: First insulating film 203: Second insulating film 204: Third insulating film 205: Fourth insulating film 206: Via pattern resist 207: Temporary via hole 207a: Via ho 208: buried film 209: groove pattern resist 210: wiring groove 211: CF-based polymer 212: damaged layer 213: undercut 214: diffusion barrier metal layer 215: conductive metallic material 216: contact 217: upper layer metal wiring

Claims (13)

半導体基板上に形成された下層金属配線と前記下層金属配線の側方に充填された下層絶縁膜の各上面に接して、第1絶縁膜を堆積する工程と、
前記第1絶縁膜の上面に同じエッチング条件において前記第1絶縁膜よりエッチング速度の速い第2絶縁膜を堆積する工程と、
前記第2絶縁膜の上面に同じエッチング条件において前記第2絶縁膜よりエッチング速度の速い第3絶縁膜を堆積する工程と、
前記第3絶縁膜の上面に前記第3絶縁膜と異なる材質の第4絶縁膜を堆積する工程と、
前記第4絶縁膜の一部を前記第3絶縁膜の上面が露出するまでエッチング加工して上層金属配線用の溝部を形成する工程と、
前記第3絶縁膜の前記溝部による露出個所の一部を前記第2絶縁膜の上面が露出するまでエッチング加工して、前記下層金属配線と前記上層金属配線間を電気的に接続するコンタクト用のビアホールの上部を形成する工程と、
前記第2絶縁膜の前記ビアホールの上部による露出個所を前記第1絶縁膜の上面が露出するまでエッチング加工して前記ビアホールの中間部を形成する工程と、
前記第1絶縁膜の前記ビアホールの中間部による露出個所を前記下層金属配線の上面が露出するまでエッチング加工して前記ビアホールの下部を形成する工程と、
前記ビアホールと前記溝部の内壁面を含む全面に拡散防止金属膜を形成する工程と、
前記上層金属配線用と前記コンタクト用の金属材料を前記拡散防止金属膜上に堆積して前記ビアホールと前記溝部の内部に充填する工程と、
前記ビアホールと前記溝部の外部の前記拡散防止金属膜と前記金属材料を除去して、前記ビアホール内に前記コンタクトを形成し、前記溝部内に前記上層金属配線を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A step of depositing a first insulating film in contact with each upper surface of a lower layer metal wiring formed on a semiconductor substrate and a lower layer insulating film filled laterally of the lower layer metal wiring;
Depositing a second insulating film having a higher etching rate than the first insulating film on the upper surface of the first insulating film under the same etching conditions;
Depositing a third insulating film having a higher etching rate than the second insulating film on the upper surface of the second insulating film under the same etching conditions;
Depositing a fourth insulating film of a material different from that of the third insulating film on an upper surface of the third insulating film;
Etching a part of the fourth insulating film until an upper surface of the third insulating film is exposed to form a groove for an upper metal wiring;
Etching is performed on a part of the exposed portion of the third insulating film by the groove until the upper surface of the second insulating film is exposed, and a contact for electrically connecting the lower metal wiring and the upper metal wiring. Forming the upper portion of the via hole;
Etching the exposed portion of the second insulating film by the upper part of the via hole until the upper surface of the first insulating film is exposed to form an intermediate portion of the via hole;
Etching the exposed portion of the first insulating film by the intermediate portion of the via hole until the upper surface of the lower layer metal wiring is exposed to form a lower portion of the via hole;
Forming a diffusion preventing metal film on the entire surface including the via hole and the inner wall surface of the groove;
Depositing the metal material for the upper layer metal wiring and the contact on the diffusion-preventing metal film and filling the via hole and the groove part;
Removing the diffusion preventing metal film and the metal material outside the via hole and the groove, forming the contact in the via hole, and forming the upper metal wiring in the groove. A method of manufacturing a semiconductor device.
同じ真空装置内で、前記ビアホールの下部を形成する工程をスパッタリング法で行った後、前記ビアホールと前記溝部の内壁面を含む全面に拡散防止金属膜を形成する工程を連続して行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   In the same vacuum apparatus, after the step of forming the lower portion of the via hole is performed by a sputtering method, the step of forming a diffusion preventing metal film on the entire surface including the inner surface of the via hole and the groove portion is continuously performed. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記第4絶縁膜を堆積する工程に引き続いて、前記第4絶縁膜の上面に同じエッチング条件において前記第4絶縁膜よりエッチング速度の遅い第5絶縁膜を堆積する工程を、更に有し、
前記溝部を形成する工程において、前記第5絶縁膜の一部を前記第4絶縁膜の上面が露出するまでエッチング加工して前記溝部用のハードマスクを形成し、前記ハードマスクを用いて前記第4絶縁膜の一部をエッチング加工することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
Subsequent to the step of depositing the fourth insulating film, the method further includes the step of depositing a fifth insulating film having an etching rate slower than that of the fourth insulating film under the same etching conditions on the upper surface of the fourth insulating film,
In the step of forming the groove, a part of the fifth insulating film is etched until an upper surface of the fourth insulating film is exposed to form a hard mask for the groove, and the hard mask is used to form the first 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a part of the four insulating films is etched.
前記溝部を形成する工程において、前記第4絶縁膜の一部をエッチング加工するのと同時に、前記ハードマスク形成時に使用したレジスト膜をエッチング除去することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   4. The semiconductor device according to claim 3, wherein in the step of forming the groove portion, the resist film used at the time of forming the hard mask is removed by etching simultaneously with etching of a part of the fourth insulating film. Manufacturing method. 前記ビアホールの中間部を形成する工程において、前記ビアホールの上部形成時に使用したレジスト膜をエッチング除去することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。   5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein, in the step of forming an intermediate portion of the via hole, the resist film used at the time of forming the upper portion of the via hole is removed by etching. 前記第1絶縁膜が窒化シリコン膜とSiCN膜の少なくとも何れか一方を含み、前記第1絶縁膜の膜厚が5〜10nmであることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。   6. The method according to claim 1, wherein the first insulating film includes at least one of a silicon nitride film and a SiCN film, and the thickness of the first insulating film is 5 to 10 nm. The manufacturing method of the semiconductor device of description. 前記第1絶縁膜を、原子層堆積法を用いて、400℃以下の低温で成膜することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the first insulating film is formed at a low temperature of 400 ° C. or lower by using an atomic layer deposition method. 前記第2絶縁膜が有機系低誘電率絶縁膜であることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second insulating film is an organic low dielectric constant insulating film. 前記第3絶縁膜が、SiOF膜、SiOC膜、SiOCH膜、多孔質シリカ膜、または、その他の無機系低誘電率絶縁膜であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。   9. The method according to claim 1, wherein the third insulating film is a SiOF film, a SiOC film, a SiOCH film, a porous silica film, or other inorganic low dielectric constant insulating film. The manufacturing method of the semiconductor device of description. 半導体基板上に形成された下層金属配線と前記下層金属配線の側方に充填された下層絶縁膜の各上面に接して形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜の上面に形成された同じエッチング条件において前記第1絶縁膜よりエッチング速度の速い第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜の上面に形成された同じエッチング条件において前記第2絶縁膜よりエッチング速度の速い第3絶縁膜と、
前記第3絶縁膜の上面に形成された前記第3絶縁膜と異なる材質の第4絶縁膜と、
前記第4絶縁膜の一部を前記第3絶縁膜の上面が露出するまで開口した溝部に1層または複数層の金属材料を充填してなる上層金属配線と、
前記第3絶縁膜の前記溝部によって露出した個所の一部を前記第2絶縁膜と前記第1絶縁膜を貫通して前記下層金属配線の上面が露出するまで開口したビアホールに前記上層金属配線と同じ金属材料を充填してなる前記下層金属配線と前記上層金属配線間を電気的に接続するコンタクトと、を備えてなることを特徴とする半導体装置。
A first insulating film formed on and in contact with each upper surface of a lower layer metal wiring formed on a semiconductor substrate and a lower layer insulating film filled laterally of the lower layer metal wiring;
A second insulating film having an etching rate faster than that of the first insulating film under the same etching conditions formed on the upper surface of the first insulating film;
A third insulating film having a higher etching rate than the second insulating film under the same etching conditions formed on the upper surface of the second insulating film;
A fourth insulating film made of a material different from the third insulating film formed on the upper surface of the third insulating film;
An upper-layer metal wiring formed by filling one or more layers of a metal material in a groove portion that is open until a part of the fourth insulating film is exposed until the upper surface of the third insulating film is exposed;
A portion of the portion of the third insulating film exposed by the groove portion passes through the second insulating film and the first insulating film, and a via hole is opened until the upper surface of the lower metal wiring is exposed. A semiconductor device comprising: the lower metal wiring filled with the same metal material; and a contact for electrically connecting the upper metal wiring.
前記第1絶縁膜が窒化シリコン膜とSiCN膜の少なくとも何れか一方を含み、前記第1絶縁膜の膜厚が5〜10nmであることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。   11. The semiconductor device according to claim 10, wherein the first insulating film includes at least one of a silicon nitride film and a SiCN film, and the film thickness of the first insulating film is 5 to 10 nm. 前記第2絶縁膜が有機系低誘電率絶縁膜であることを特徴とする請求項10または11に記載の半導体装置。   12. The semiconductor device according to claim 10, wherein the second insulating film is an organic low dielectric constant insulating film. 前記第3絶縁膜が、SiOF膜、SiOC膜、SiOCH膜、多孔質シリカ膜、または、その他の無機系低誘電率絶縁膜であることを特徴とする請求項10〜12の何れか1項に記載の半導体装置。   The third insulating film according to any one of claims 10 to 12, wherein the third insulating film is a SiOF film, a SiOC film, a SiOCH film, a porous silica film, or another inorganic low dielectric constant insulating film. The semiconductor device described.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111769074A (en) * 2019-04-02 2020-10-13 长鑫存储技术有限公司 Semiconductor interconnection structure and manufacturing method thereof

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