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JP3605291B2 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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JP3605291B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置およびその製造技術に関し、特に、半導体集積回路装置の配線形成技術に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路装置の配線形成方法として、例えばダマシン(Damascene )法と呼ばれるプロセスがある。この方法は、絶縁膜に配線形成用の溝を形成した後、半導体基板全面に配線形成用の導体膜を堆積し、さらに、その溝以外の領域の導体膜を化学的機械的研磨法(CMP;Chemical Mechanical Polishing )によって除去することにより、配線形成用の溝内に埋込配線を形成する方法である。この方法の場合は、特に、微細なエッチング加工が困難な銅系(銅または銅合金)の導体材料からなる埋込配線の形成方法として検討されている。
【0003】
また、ダマシン法の応用としてデュアルダマシン(Dual−Damascene)法がある。この方法は、絶縁膜に配線形成用の溝および下層配線との接続を行うための接続孔を形成した後、半導体基板全面に配線形成用の導体膜を堆積し、さらに、その溝以外の領域の導体膜をCMPによって除去することにより、配線形成用の溝内に埋め込み配線を形成するとともに、接続孔内にプラグを形成する方法である。この方法の場合は、特に、多層配線構造を有する半導体集積回路装置において、工程数の削減が可能であり、配線コストの低減が可能である。
【0004】
このような配線形成技術については、例えば特開平8−78410号公報、1996 Symp.VLSI.Tech.Digest pp48−49 、電子材料 1996年3月号 pp22−27 、特開平8−148560号公報またはIBM J.RES.DEVELOP.VOL.39.NO.4,pp419−435,July 1995 に記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した埋め込み配線の形成技術においては、以下の課題があることを本発明者は見出した。
【0006】
すなわち、埋込配線技術を半導体集積回路装置に適用した場合の構造上および製造上の全体像が完全には確立していないという課題である。特に、上記したデュアルダマシン法においては、配線形成用溝と接続孔を同一導体膜で同時に埋め込むが、配線形成用溝よりも微細な接続孔を配線形成用溝と同時に、充分に、かつ、良好な電気的特性を確保した状態で埋め込むことが、配線や接続孔の微細化に伴って困難となっている。例えば配線材料として銅を用いる場合、スパッタリング法では接続孔内への銅の埋め込みが困難である。一方、メッキ法を用いた場合には埋め込み能力は高いが、この方法で形成される銅の成膜直後の結晶粒は小さく、充分な電気的特性が得られない場合がある。また、メッキ法の埋め込み能力が高いとはいっても限界はあり、高アスペクト比の微細接続孔の埋め込みには困難がつきまとう。この問題は同一の埋込配線層に、アスペクト比の異なる配線用溝が存在する場合にも生じる。
【0007】
本発明の目的は、埋込配線構造を有する半導体集積回路装置において、高度な技術を用いることなく、埋込配線用の導体膜を良好に埋め込むことのできる技術を提供することにある。
【0008】
また、本発明の目的は、埋込配線構造を有する半導体集積回路装置において、配線用溝または接続孔あるいはその両方の微細化を推進することのできる技術を提供することにある。
【0009】
また、本発明の他の目的は、埋込配線の信頼性を向上させることのできる技術を提供することにある。
【0010】
また、本発明の他の目的は、銅系導体材料を用いた埋込配線を、不具合を生じることなく、半導体集積回路装置の全体構造に組み込むことのできる技術を提供することにある。
【0011】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0013】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板の上層の配線層に埋込配線を有する半導体集積回路装置の製造方法であって、
(a)前記半導体基板の上層の絶縁膜に接続孔を穿孔する工程と、
(b)前記絶縁膜上に、前記接続孔を埋め込むように接続用の導体膜を形成する工程と、
(c)前記接続用の導体膜の形成工程後、前記接続用の導体膜に対して平坦化処理を施して接続孔内以外の接続用の導体膜を除去することにより、前記接続孔内に接続用導体部を形成する工程と、
(d)前記接続用導体部を形成した後の絶縁膜の配線形成領域に配線用溝を形成する工程と、
(e)前記絶縁膜上に、前記配線用溝を埋め込むように配線用の導体膜を形成する工程と、
(f)前記配線用の導体膜の形成工程後、前記配線用の導体膜に対して平坦化処理を施して配線用溝内以外の配線用の導体膜を除去することにより、前記配線用溝内に埋込配線を形成する工程とを有するものである。
【0014】
また、本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記配線用の導体膜が銅または銅合金からなり、その導体膜をスパッタリング法で形成した場合は、前記配線用の導体膜の平坦化処理工程後に熱処理を施す工程を有するものである。
【0015】
また、本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板の上層の配線層に埋込配線を有する半導体集積回路装置の製造方法であって、同一の埋込配線層に形成された寸法が異なる配線用溝内に導体膜を埋め込む場合には、前記寸法が異なる配線用溝内にそれぞれ別々に導体膜を埋め込むこものである。
【0016】
また、本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板の上層の配線層に埋込配線を有する半導体集積回路装置の製造方法であって、
(a)前記半導体基板の上層の絶縁膜に配線用溝および接続孔を穿孔する工程と、
(b)前記絶縁膜上に、前記配線用溝および接続孔が埋め込まれるように銅または銅合金からなる導体膜をスパッタリング法により形成する工程と、
(c)前記銅または銅合金からなる導体膜に対して平坦化処理を施して前記配線用溝および接続孔内以外の銅または銅合金からなる導体膜を除去することにより、前記配線用溝および接続孔内に導体膜を埋め込む工程と、
(d)前記銅または銅合金からなる導体膜の平坦化処理工程後に熱処理を施す工程とを有するものである。
【0017】
また、本発明の半導体集積回路装置は、半導体基板の上層の配線層に埋込配線を有する半導体集積回路装置であって、前記埋込配線と半導体基板とが接触する部分の配線材料を、タングステン、タングステン合金、チタン、チタンナイトライド、アルミニウムまたはアルミニウム合金のうち、少なくとも1種を用いて構成し、その上層の配線層における埋込配線を銅または銅合金で構成したものである。
【0018】
また、本発明の半導体集積回路装置は、半導体基板の上層の配線層のうちの少なくとも1層以上に埋込配線を有する半導体集積回路装置であって、前記配線層のうちの最上の配線層の配線材料をアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成し、その下層の配線層における埋込配線を銅または銅合金で構成したものである。また、本発明の半導体集積回路装置は、半導体基板の上層の配線層に埋込配線を有する半導体集積回路装置であって、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる配線と、銅または銅合金からなる配線とを接続する場合には、それらの接合部にバリア導体膜を介在させたものである。
【0019】
さらに、本発明の半導体集積回路装置は、半導体基板の上層の配線層に埋込配線を有する半導体集積回路装置であって、前記配線層のうちの所定の埋込配線の配線層よりも上層の配線と前記所定の埋込配線の配線層よりも下層の配線とを電気的に接続する場合に、前記上層の配線から前記所定の埋込配線の配線層まで延びる接続孔内に設けられた接続用導体部と、前記下層の配線から前記所定の埋込配線の配線層まで延びる接続孔内に設けられた接続用導体部とを、前記所定の埋込配線の配線層の接続用溝内に設けられた中継用の接続用導体部を介して電気的に接続する構造を備え、前記中継用の接続用導体部は、少なくともその所定の埋込配線の配線延在方向における長さが、前記接続孔の前記配線延在方向の長さよりも長くなるように形成されているものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する(なお、実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する)。
【0021】
(実施の形態1)
図1は本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の要部断面図、図2は図1の半導体集積回路装置の第1層配線を示す要部断面図、図3〜図5は図2の配線構造の変形例を示す断面図、図6は図1の半導体集積回路装置の第2層配線を示す要部断面図、図7は図1の半導体集積回路装置の配線層間接続の変形例を示す半導体集積回路装置の要部断面図、図8〜図12は図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図、図13〜図18は図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部の一部破断斜視図である。
【0022】
まず、本実施の形態1の半導体集積回路装置の構造を図1〜図7によって説明する。半導体基板1は、例えばp形のシリコン(Si)単結晶からなり、その上部には、pウエルPWおよびnウエルNWが形成されている。このpウエルPWには、例えばp形不純物のホウ素(B)が含有され、nウエルNWには、例えばn形不純物のリン(P)またはヒ素(As)が含有されている。
【0023】
また、この半導体基板1の上部には素子分離部2が形成されている。この素子分離部2は、半導体基板1の上部に掘られた分離用溝2a内に、例えば酸化シリコン等からなる分離用絶縁膜2bが埋め込まれて形成されている。この素子分離部2の上面は、半導体基板1の主面とほぼ一致するように平坦化されている。
【0024】
素子分離部2に囲まれたpウエルPWおよびnウエルNWの領域には、例えばnチャネル形のMOS・FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ;以下、単にnMOSという)3nおよびpチャネル形のMOS・FET(以下、単にpMOSという)3pが形成されている。そして、このnMOS3nおよびpMOS3pによってCMOS(Complimentary MOS )が形成されている。ただし、半導体基板1に形成される集積回路素子は、MOS・FETまたはMIS・FET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor )に限定されるものではなく種々変更可能であり、バイポーラトランジスタ、ダイオードまたは抵抗素子あるいはこれらの集積回路素子が同一半導体基板上に形成される構造でも良い。
【0025】
nMOS3nは、pウエルPWの上部に互いに離間して形成された一対の半導体領域3nd と、半導体基板1上に形成されたゲート絶縁膜3niと、その上に形成されたゲート電極3ngとを有している。なお、nMOS3nのチャネル領域は、pウエルPW内において一対の半導体領域3nd の間に形成される。
【0026】
この半導体領域3nd は、nMOS3nのソース・ドレイン領域を形成するための領域であり、例えばn形不純物のリンまたはAsが含有されている。なお、半導体領域3nd を、チャネル領域側に配置された相対的に低濃度の半導体領域と、その外側に配置された相対的に高濃度の半導体領域とを有する構造としても良い。
【0027】
ゲート絶縁膜3niは、例えば酸化シリコンからなる。その上に形成されたゲート電極3ngは、例えば低抵抗ポリシリコンの単体膜からなる。ただし、ゲート電極3ngは、低抵抗ポリシリコンの単体膜に限定されるものではなく、例えば低抵抗ポリシリコンの単体膜上にタングステンシリサイド等のようなシリサイド膜を形成してなる、いわゆるポリサイド構造としても良いし、また、例えば低抵抗ポリシリコンの単体膜上に窒化チタン等のようなバリア金属膜を介してタングステン等のような金属膜を形成してなる、いわゆるポリメタル構造としても良い。
【0028】
一方、pMOS3pは、nウエルNWの上部に互いに離間して形成された一対の半導体領域3pd と、半導体基板1上に形成されたゲート絶縁膜3piと、その上に形成されたゲート電極3pgとを有している。なお、pMOS3pのチャネル領域は、nウエルNW内において一対の半導体領域3pd の間に形成される。この半導体領域3pd は、pMOS3pのソース・ドレイン領域を形成するための領域であり、例えばp形不純物のホウ素が含有されている。なお、半導体領域3pd を、チャネル領域側に配置された相対的に低濃度の半導体領域と、その外側に配置された相対的に高濃度の半導体領域とを有する構造としても良い。
【0029】
ゲート絶縁膜3piは、例えば酸化シリコンからなる。その上に形成されたゲート電極3pgは、例えば低抵抗ポリシリコンの単体膜からなる。ただし、ゲート電極3pgは、低抵抗ポリシリコンの単体膜に限定されるものではなく、例えば低抵抗ポリシリコンの単体膜上にタングステンシリサイド等のようなシリサイド膜を形成してなる、いわゆるポリサイド構造としても良いし、また、例えば低抵抗ポリシリコンの単体膜上に窒化チタン等のようなバリア金属膜を介してタングステン等のような金属膜を形成してなる、いわゆるポリメタル構造としても良い。
【0030】
このような半導体基板1上には、その表面が、例えばCMP法により平坦化された、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜4aが形成されており、これによってnMOS3nおよびpMOS3pが被覆されている。この層間絶縁膜4aの上部には、幅や長さの異なる配線用溝5a, 5bが形成されている。配線用溝5a, 5bの深さは、同一であり、例えば0.3〜1.0μm程度、好ましくは0.5μm程度である。また、配線用溝5aのアスペクト比は、例えば0.1〜1.0程度、配線用導体膜を良好に埋め込むことを考慮すると0.7よりも小さい方が好ましい。配線用溝5bのアスペクト比は、例えば0.5〜2.5程度、配線用導体膜を埋め込むことを考慮すると1.5より小さい方が好ましい。
【0031】
その配線用溝5a, 5b内には、図1、図2に示すように、第1層配線6Lが埋め込まれた状態で形成されている。この第1層配線6Lは、下部および側部の相対的に薄い導体膜6L1 と、その薄い導体膜6L1 に囲まれた相対的に厚い導体膜6L2 とで構成されている。
【0032】
薄い導体膜6L1 は、第1層配線6Lと層間絶縁膜4aとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜6L2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン(W)、窒化チタン(TiN)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、窒化タングステン(WN)、窒化タングステンシリサイド(WSiN)、窒化チタンシリサイド(TiSiN)、窒化タンタル(TaN)または窒化タンタルシリサイド(TaSiN)等からなる。
【0033】
ここで、薄い導体膜6L1 をタングステン等で構成した場合には、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合に比べて配線抵抗を低下させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、薄い導体膜6L1 が、例えばTiNで構成されている。また、厚い導体膜6L2 は、第1層配線6Lの本体を構成する部材であり、例えばアルミニウム(Al)、Al合金、タングステン、タングステン合金、銅(Cu)またはCu合金等のような低抵抗な材料からなる。Al合金の一例としては、Alからなる導体膜にSi,Cu,Ge等のような元素のうちの選択された1種またはそれ以上の元素を添加したものがあげられる。Cu合金の一例としては、Cuからなる導体膜にマグネシウム(Mg),Si,Ti等のような元素のうちの選択された1種またはそれ以上の元素を添加したものがあげられる。タングステン合金の一例としては、タングステンからなる導体膜にSi,N等のような元素のうちの選択された1種またはそれ以上の元素を添加したものがあげられる。なお、以下の記載において、Al合金、タングステン合金およびCu合金については、基本的に上記したものと同じとする。この厚い導体膜6L2 をCuまたはCu合金で構成した場合には、Alまたはタングステンで構成した場合に比べて配線抵抗を大幅に低下させることができ、かつ、厚い導体膜6L2 をAlまたはAl合金で構成した場合に比べて第1層配線6Lのエレクトロマイグレーション(EM)耐性を向上させることも可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、厚い導体膜6L2 が、例えばCuで構成されている。
【0034】
ただし、第1層配線6Lの構造は図1および図2に示した構造に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば図3〜図5に示す構造にしても良い。図3は薄い導体膜6L1 および厚い導体膜6L2 を覆うようにキャップ導体膜6L3 を設けた構造である。キャップ導体膜6L3 は、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。この構造は、特に、厚い導体膜6L2 をCuまたはCu合金で構成した場合に適用することにより、Cu原子の拡散をさらに抑制することができるので、半導体集積回路装置の信頼性をさらに向上させることが可能となっている。また、特に限定されないが、上層の配線材料との関係で、その配線材料と厚い導体膜6L2 とを直接接触させると比抵抗の高い合金等が形成されてしまうような場合にも適している。なお、キャップ導体膜をその上面が層間絶縁膜4aの上面とほぼ一致するように厚い導体膜6L2 の上面のみに設ける構造としても良い。
【0035】
図4は第1層配線6Lを厚い導体膜6L2 のみで構成した構造である。すなわち、薄い導体膜が無い構造である。図5は図4の構造において厚い導体膜6L2 の上面にキャップ導体膜6L3 を設けた構造である。この構造は、特に限定されないが、上層の配線材料との関係で、その配線材料と厚い導体膜6L2 とを直接接触させると比抵抗の高い合金等が形成されてしまうような場合に適している。
【0036】
配線用溝5a内の第1層配線6Lは接続用導体部7Cを通じてnMOS3nの半導体領域3ndまたはpMOS3pの半導体領域3pdと電気的に接続されている。接続用導体部7Cは、その大部分が配線用溝5aの底面から半導体基板1の上面に向かって層間絶縁膜4aに穿孔された接続孔8a内に埋め込まれているが、接続用導体部7Cの上部は第1層配線6Lの上下面を貫通するように第1層配線6L中に突出している。接続孔8aの直径は、例えば0.2〜1.0μm程度、好ましくは、例えば0.4μm程度である。また、接続孔8aのアスペクト比は、例えば2〜6程度、接続用導体部の埋め込みを良好に行うことを考慮すると4程度より小さいことが好ましい。なお、接続用導体部7Cの上面高さは、第1層配線6Lの上面高さとほぼ一致している。
【0037】
接続用導体部7Cは、その下部および側部の相対的に薄い導体膜7C1 と、薄い導体膜7C1 に囲まれた相対的に厚い導体膜7C2 とで構成されている。薄い導体膜7C1 は、接続用導体部7Cと層間絶縁膜4aとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜7C2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。
【0038】
薄い導体膜7C1 をタングステン等で構成した場合には、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合に比べて配線抵抗を低下させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、薄い導体膜7C1 が、例えばタングステンで構成されている。
【0039】
また、厚い導体膜7C2 は、接続用導体部7Cの本体を構成する部材であり、例えばAl、Al合金、タングステンまたはタングステン合金等のような低抵抗な材料からなる。厚い導体膜7C2 の構成材料にはCuまたはCu合金は使用されていない。すなわち、本実施の形態1においては、第1層配線6Lの埋込導体膜6L2 の構成材料にはCuまたはCu合金等を用いても、半導体基板1と直接接する接続用導体部7Cの構成材料にはCuまたはCu合金を用いていない。これにより、第1層配線6Lの配線抵抗を低減しつつ、かつ、Cu原子が半導体基板1側に拡散することに起因する接続不良を抑制することが可能となっている。
【0040】
厚い導体膜7C2 をAlまたはAl合金で構成した場合には、タングステンまたはタングステン合金で構成した場合に比べて接続用導体部7Cの抵抗を低下させることが可能となる。また、埋込導体膜7C2 をタングステンまたはタングステン合金で構成した場合には、埋込導体膜7C2 をAlまたはAl合金で構成した場合に比べて接続用導体部7CのEM耐性およびSM耐性を向上させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、厚い導体膜7C2 が、例えばタングステンで構成されている。したがって、本実施の形態1においては、第1層配線6Lの高さ位置の平面内に、異種の導体膜(第1層配線6L形成用のCu等および接続用導体部7Cのタングステン等)が存在する構造となっている。なお、接続用導体部も配線の一部を構成するものである。
【0041】
また、上記の説明では配線用溝5a, 5b内の第1層配線6Lが同一材料で構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば配線用溝5bに埋め込む厚い導体膜6L2 および薄い導体膜6L1 の構成材料を、配線用溝5aに埋め込まれた厚い導体膜6L2 および薄い導体膜6L1 の構成材料とは異種の導体材料としても良い。これは、例えば幅の広い配線用溝5aおよび幅の狭い配線用溝5b内にCu等を同時に埋め込もうとすると、幅の狭い配線用溝5bを充分に埋め込めない場合があるので、その場合には、幅の広い配線用溝5aはCuで埋め込み、幅の狭い配線用溝5bはタングステン等をCVD法等により埋め込むようにした場合の構造例である。なお、この場合の形成方法については後述する。
【0042】
層間絶縁膜4a上には、例えばシリコン窒化膜4b1 上に、シリコン窒化膜より厚い膜厚を有する酸化シリコン膜4b2 が形成された層間絶縁膜4bが形成されている。シリコン窒化膜4b1 は、厚い導体膜6L2 または埋込導体膜7C2 をCu系の導電材料で構成した場合に、Cuの拡散を防止するバリア膜として機能する。また、後述する接続孔8aを形成する時、シリコン窒化膜4b1 をエッチングストッパ層として用いて酸化シリコン膜4b2 をエッチングし、その後、シリコン窒化膜4b2 をエッチングして除去する。なお、厚い導体膜6L2 または埋込導体膜7C2 をCu系以外の導電材料で構成する場合、シリコン窒化膜4b1 はなくても良い。この層間絶縁膜4bの上部には、幅が異なる配線用溝5c, 5dが形成されている。配線用溝5c, 5dの深さは、同一であり、例えば0.3〜1.0μm程度、好ましくは0.6μm程度である。また、配線用溝5cのアスペクト比は、例えば0.1〜1.0程度、配線用導体膜を良好に埋め込むことを考慮すると0.7よりも小さい方が好ましい。また、配線用溝5dのアスペクト比は、例えば0.5〜2.5程度、配線用導体膜を良好に埋め込むことを考慮すると1.5よりも小さい方が好ましい。酸化シリコン膜4b2 は、例えばCVD法で形成したTEOS(Tetraethoxysilane )膜あるいはSOG(Spin On Glass )膜で構成される。低誘電率のSOG膜を用いることで配線間の容量を低減でき、回路の動作速度を向上させることができる。
【0043】
その配線用溝5c, 5d内には、図1および図6に示すように、第2層配線9Lが埋め込まれた状態で形成されている。この第2層配線9Lは、下部および側部の相対的に薄い導体膜9L1 と、その薄い導体膜9L1 に囲まれた相対的に厚い導体膜9L2 とで構成されている。
【0044】
薄い導体膜9L1 は、第2層配線9Lと層間絶縁膜4bとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜9L2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。
【0045】
薄い導体膜9L1 をタングステン等で構成した場合には、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合に比べて配線抵抗を低下させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、薄い導体膜9L1 が、例えばTiNで構成されている。
【0046】
また、厚い導体膜9L2 は、第2層配線9Lの本体を構成する部材であり、例えばAl、Al合金、タングステン、タングステン合金、CuまたはCu合金等のような低抵抗な材料からなる。この厚い導体膜9L2 をCuまたはCu合金で構成した場合には、Alまたはタングステンで構成した場合に比べて配線抵抗を大幅に低下させることが可能となる。また、厚い導体膜9L2 をAlまたはAl合金で構成した場合に比べて第2層配線9LのEM耐性を向上させることも可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、厚い導体膜9L2 が、例えばCuで構成されている。
【0047】
ただし、第2層配線9Lの構造も図1および図6に示した構造に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば前記第1層配線6Lで説明した図3〜図5に示す構造にしても良い。すなわち、厚い導体膜9L2 および薄い導体膜9L1 の上面にキャップ導体膜を設けた構造でも良い。このキャップ導体膜は、例えばタングステン等のような低抵抗な材料やTiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等のようなバリア機能を有する材料からなる。この構造は、特に、厚い導体膜9L2 をCuまたはCu合金で構成した場合に適用することにより、Cu原子の拡散をさらに抑制することができるので、半導体集積回路装置の信頼性をさらに向上させることが可能となっている。また、特に限定されないが、上層の配線材料との関係で、その配線材料と厚い導体膜9L2 とを直接接触させると比抵抗の高い合金等が形成されてしまうような場合に適している。なお、キャップ導体膜をその上面が層間絶縁膜4aの上面とほぼ一致するように厚い導体膜6L2 の上面のみに設ける構造としても良い。
【0048】
他の構造として第2層配線9Lを厚い導体膜9L2 のみで構成した構造でも良い。すなわち、薄い導体膜が無い構造である。さらに他の構造としてその薄い導体膜が無い構造において厚い導体膜9L2 の上面にキャップ導体膜を設けた構造でも良い。この構造は、特に限定されないが、上層の配線材料との関係で、その配線材料と厚い導体膜9L2 とを直接接触させると固有抵抗値の高い合金等が形成されてしまうような場合に適している。
【0049】
この配線用溝5c内に形成された第2層配線9Lは接続用導体部10Cを通じて第1層配線6Lと電気的に接続されている。接続用導体部10Cは、その大部分が配線用溝5cの底面から第1層配線6Lの上面に向かって層間絶縁膜4bに穿孔された接続孔8b内に埋め込まれているが、接続用導体部10Cの上部は第2層配線9Lの上下面を貫通するように第2層配線9L中に突出している。接続孔8bの直径は、例えば0.2〜1.2μm程度、好ましくは、例えば0.4程度である。また、接続孔8bのアスペクト比は、2〜6程度、接続用導体部の埋め込みを良好に行うことを考慮すると4程度より小さいことが好ましい。なお、接続用導体部10Cの上面高さは、第2層配線9Lの上面高さ、すなわち、層間絶縁膜4bの上面高さとほぼ一致している。
【0050】
接続用導体部10Cは、その下部および側部の相対的に薄い導体膜10C1 と、薄い導体膜10C1 に囲まれた相対的に厚い導体膜10C2 とで構成されている。薄い導体膜10C1 は、接続用導体部10Cと層間絶縁膜4bとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜10C2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。
【0051】
薄い導体膜10C1 をタングステン等で構成した場合には、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合に比べて配線抵抗を低下させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、薄い導体膜10C1 が、例えばタングステンで構成されている。
【0052】
また、厚い導体膜10C2 は、接続用導体部7Cの本体を構成する部材であり、例えばAl、Al合金、タングステン、タングステン合金、CuまたはCu合金等のような低抵抗な材料からなる。厚い導体膜10C2 を、例えばCuまたはCu合金で構成することにより、Al、Al合金、タングステンまたはタングステン合金で構成した場合に比べて接続孔用導体部10Cの抵抗を低下させることができ、かつ、接続用導体部10CのEM耐性を向上させることができる。厚い導体膜10C2 をAlまたはAl合金で構成した場合には、タングステンまたはタングステン合金で構成した場合に比べて接続用導体部10Cの抵抗を低下させることが可能となる。また、埋込導体膜10C2 をタングステンまたはタングステン合金で構成した場合には、埋込導体膜10C2 をAlまたはAl合金で構成した場合に比べて接続用導体部10CのEM耐性およびSM耐性を向上させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、厚い導体膜10C2 が、例えばタングステンで構成されている。
【0053】
また、層間絶縁膜4bには、その上面から第1層配線6Lの上面に向かって穿孔され第1層配線6Lの一部が露出するような接続孔8cが穿孔されており、この接続孔8cには接続用導体部10Cが埋め込まれた状態で形成されている。この接続孔8cの直径は、例えば0.2〜1.2μm程度、好ましくは、例えば0.4μm程度である。また、接続孔8cのアスペクト比は、2〜6程度、接続用導体部の埋め込みを良好に行うことを考慮すると4程度より小さいことが好ましい。この接続用導体部10Cは、構造は上記したのと同じであるが、図1では第2層配線9Lとは直接接続されていない。ただし、接続孔8cに埋め込む接続用導体部10Cの厚い導体膜10C2 および薄い導体膜10C1 の構成材料を、接続孔8bに埋め込まれた接続用導体部10Cの厚い導体膜10C2 および薄い導体膜10C1 の構成材料とは異種の導体材料で構成しても良い。
【0054】
また、上記の説明では配線用溝5c, 5d内の第2層配線9Lが同一材料で構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば配線用溝5dに埋め込む厚い導体膜9L2 および薄い導体膜9L1 の構成材料を、配線用溝5cに埋め込まれた厚い導体膜9L2 および薄い導体膜9L1 の構成材料とは異種の導体材料で構成しても良い。これは、例えば幅の広い配線用溝5cおよび幅の狭い配線用溝5d内にCu等を同時に埋め込もうとすると、幅の狭い配線用溝5dを充分に埋め込めない場合があるので、その場合には、幅の広い配線用溝5cはCuで埋め込み、幅の狭い配線用溝5dはタングステン等をCVD法等により埋め込むようにした場合の構造例である。なお、この場合の形成方法については後述する。
【0055】
層間絶縁膜4b上には、例えば層間絶縁膜4bと同様に窒化シリコン膜4c1 と酸化シリコン膜4c2 とで構成された層間絶縁膜4cが形成されている。この層間絶縁膜4cの上部には、幅の異なる配線用溝5e, 5fが形成されている。配線用溝5e, 5fの深さは、同一であり、例えば0.3〜1.0μm程度、好ましくは0.6μm程度である。また、配線用溝5eのアスペクト比は、例えば0.1〜1.0程度、配線用導体膜を良好に埋め込むことを考慮すると0.7よりも小さい方が好ましい。また、配線用溝5fのアスペクト比は、例えば0.5〜2.5程度、配線用導体膜を良好に埋め込むことを考慮すると1.5よりも小さい方が好ましい。
【0056】
その配線用溝5e, 5f内には、図1に示すように、第3層配線11Lが埋め込まれた状態で形成されている。この第3層配線11Lは、下部および側部の相対的に薄い導体膜11L1 と、その薄い導体膜11L1 に囲まれた相対的に厚い導体膜11L2 とで構成されている。
【0057】
薄い導体膜11L1 は、第3層配線11Lと層間絶縁膜4cとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜11L2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。
【0058】
薄い導体膜11L1 をタングステン等で構成した場合には、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合に比べて配線抵抗を低下させることが可能となる。また、薄い導体膜11L1 を、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合には、特に層間絶縁膜4cとの密着性を向上させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、薄い導体膜11L1 が、例えばTiNで構成されている。
【0059】
また、厚い導体膜11L2 は、第3層配線11Lの本体を構成する部材であり、例えばAl、Al合金、タングステン、タングステン合金、CuまたはCu合金等のような低抵抗な材料からなる。この厚い導体膜11L2 をCuまたはCu合金で構成した場合には、Alまたはタングステンで構成した場合に比べて配線抵抗を大幅に低下させることが可能となる。また、厚い導体膜11L2 をAlまたはAl合金で構成した場合に比べて第3層配線11LのEM耐性を向上させることも可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、厚い導体膜11L2 が、例えばCuで構成されている。
【0060】
ただし、第3層配線11Lの構造も図1に示した構造に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば前記第1層配線6Lで説明した図3〜図5に示す構造にしても良い。すなわち、厚い導体膜11L2 および薄い導体膜11L1 の上面にキャップ導体膜を設けた構造でも良い。このキャップ導体膜は、例えばタングステン等のような低抵抗な材料やTiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等のようなバリア機能を有する材料からなる。この構造は、特に、厚い導体膜11L2 をCuまたはCu合金で構成した場合に適用することにより、Cu原子の拡散をさらに抑制することができるので、半導体集積回路装置の信頼性をさらに向上させることが可能となっている。また、特に限定されないが、上層の配線材料との関係で、その配線材料と厚い導体膜11L2 とを直接接触させると比抵抗の高い合金等が形成されてしまうような場合に適している。なお、キャップ導体膜をその上面が層間絶縁膜4aの上面とほぼ一致するように厚い導体膜11L2 の上面のみに設ける構造としても良い。
【0061】
他の構造として第3層配線11Lを厚い導体膜11L2 のみで構成した構造でも良い。すなわち、薄い導体膜が無い構造である。さらに他の構造としてその薄い導体膜が無い構造において配線用溝5aの上面にキャップ導体膜を設けた構造でも良い。この構造は、特に限定されないが、上層の配線材料との関係で、その配線材料と厚い導体膜11L2 とを直接接触させると比抵抗の高い合金等が形成されてしまうような場合に適している。
【0062】
この配線用溝5e, 5f内に形成された第3層配線11Lは接続用導体部12Cを通じて第2層配線9Lと電気的に接続されている。接続用導体部12Cは、その大部分が配線用溝5e, 5fの底面から第2層配線9Lの上面に向かって層間絶縁膜4cに穿孔された接続孔8d内に埋め込まれているが、接続用導体部12Cの上部は第3層配線11Lの上下面を貫通するように第3層配線11L中に突出している。接続孔8dの直径は、例えば0.2〜1.2μm程度、好ましくは、例えば0.4μm程度である。また、接続孔8dのアスペクト比は、2〜6程度、接続用導体部の埋め込みを良好に行うことを考慮すると4程度より小さいことが好ましい。なお、接続用導体部12Cの上面高さは、第3層配線11Lの上面高さ、すなわち、層間絶縁膜4cの上面高さとほぼ一致している。
【0063】
接続用導体部12Cは、その下部および側部の相対的に薄い導体膜12C1 と、薄い導体膜12C1 に囲まれた相対的に厚い導体膜12C2 とで構成されている。薄い導体膜12C1 は、接続用導体部12Cと層間絶縁膜4cとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜12C2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。
【0064】
薄い導体膜12C1 をタングステン等で構成した場合には、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合に比べて配線抵抗を低下させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、薄い導体膜12C1 が、例えばタングステンで構成されている。
【0065】
また、厚い導体膜12C2 は、接続用導体部12Cの本体を構成する部材であり、例えばAl、Al合金、タングステン、タングステン合金、CuまたはCu合金等のような低抵抗な材料からなる。厚い導体膜12C2 を、例えばCuまたはCu合金で構成することにより、Al、Al合金、タングステンまたはタングステン合金で構成した場合に比べて接続孔用導体部12Cの抵抗を低下させることができ、かつ、接続用導体部12CのEM耐性を向上させることができる。厚い導体膜12C2 をAlまたはAl合金で構成した場合には、タングステンまたはタングステン合金で構成した場合に比べて接続用導体部12Cの抵抗を低下させることが可能となる。また、厚い導体膜12C2 をタングステンまたはタングステン合金で構成した場合には、厚い導体膜12C2 をAlまたはAl合金で構成した場合に比べて接続用導体部12CのEM耐性およびSM耐性を向上させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、厚い導体膜12C2 が、例えばタングステンで構成されている。
【0066】
また、層間絶縁膜4cには、その上面から第2層配線9Lの上面に向かって穿孔され第2層配線9Lの一部が露出するような接続孔8eが穿孔されており、この接続孔8eには接続用導体部12Cが埋め込まれた状態で形成されている。この接続孔8eの直径は、例えば0.2〜1.2μm程度、好ましくは、例えば0.5μm程度である。また、接続孔8eのアスペクト比は、2〜6程度、接続用導体部の埋め込みを良好に行うことを考慮すると4程度より小さいことが好ましい。この接続用導体部12Cは、構造は上記したのと同じであるが、図1では第3層配線11Lとは直接接続されていない。また、この接続用導体部12Cは下層の接続孔8c内に形成された接続用導体部10Cと接触されて電気的に接続されている。すなわち、本実施の形態1においては、埋め込み配線構造を有する配線層中に、接続用導体部10C, 12C同士が所定の配線層を貫通した状態で互いに電気的に接続される構造を有している。接続用導体部12Cを接続用導体部10Cと同じ構成材料で形成することにより、接続抵抗を低下させることができる。すなわち、接続用導体部10C, 12C間を、異なる導体材料で構成された第2層配線9Lを介して接続した場合に比べて接触抵抗等を低下させることができるので、接続抵抗を低下させることができる。
【0067】
ただし、接続孔8eに埋め込む接続用導体部12Cの厚い導体膜12C2 および薄い導体膜12C1 の構成材料を、接続孔8eに埋め込まれた接続用導体部12Cの厚い導体膜12C2 および薄い導体膜12C1 の構成材料とは異種の導体材料で構成しても良い。
【0068】
また、図1の右側の接続用導体部10C, 12C同士の接続構造を、図7に示すように、第3層配線11Lと第1層配線6Lとを層間絶縁膜4c, 4bを貫通する接続孔8e1 内の1つの接続用導体12Cを通じて直接電気的に接続する構造としても良い。これにより、接続抵抗を低下させることができる。
【0069】
層間絶縁膜4c上には、例えば層間絶縁膜4bと同様に窒化シリコン膜4d1 と酸化シリコン膜4d2 とで構成された層間絶縁膜4dが形成されている。この層間絶縁膜4dの上面には、第4層配線13Lが形成されている。第4層配線13L, 13Lは、例えばAlまたはAl合金からなり、層間絶縁膜4dに穿孔された接続孔8f, 8fを通じてそれぞれ下層の第3層配線11Lおよび接続用導体部12Cと電気的に接続されている。
【0070】
最上の第4層配線13Lの構成材料として、例えばAlまたはAl合金等を用いたことにより、従来からあるボンディングワイヤの接続技術やバンプ電極の形成技術をそのまま踏襲できる。すなわち、最上の配線層はボンディングワイヤやバンプ電極が接続されるが、最上の配線材料を従来から用いられているAlまたはAl合金とすることにより、ボンディングワイヤやバンプ電極の接合上の従来技術をそのまま使用することが可能となる。このため、組立工程(ワイヤボンディング工程やバンプ電極形成工程)の技術的な変更等を伴うことなく、Cu系材料からなる埋め込み配線構造を有する半導体集積回路装置を組立ラインに導入することが可能となる。したがって、Cu系材料からなる埋め込み配線を有する半導体集積回路装置のコスト低減を推進でき、製造・開発時間の短期化を推進することが可能となる。
【0071】
この接続孔8fの直径は、例えば0.2〜1.2μm程度、好ましくは、例えば0.5μm程度である。また、接続孔8fのアスペクト比は、2〜6程度、接続用導体部の埋め込みを良好に行うことを考慮すると4程度より小さいことが好ましい。接続孔8fには、接続用導体部14Cが埋め込まれている。接続用導体部14Cは、その下部および側部の相対的に薄い導体膜14C1 と、薄い導体膜14C1 に囲まれた相対的に厚い導体膜14C2 とで構成されている。なお、この接続用導体14Cは第4層配線13Lを貫通してはいない。
【0072】
薄い導体膜14C1 は、接続用導体部14Cと層間絶縁膜4dとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜14C2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。薄い導体膜14C1 をタングステン等で構成した場合には、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合に比べて配線抵抗を低下させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、薄い導体膜14C1 が、例えばタングステンで構成されている。
【0073】
また、厚い導体膜14C2 は、接続用導体部14Cの本体を構成する部材であり、例えばAl、Al合金、タングステン、タングステン合金等のような低抵抗な材料からなる。厚い導体膜14C2 をAlまたはAl合金で構成した場合には、タングステンまたはタングステン合金で構成した場合に比べて接続用導体部14Cの抵抗を低下させることが可能となる。また、厚い導体膜14C2 をタングステンまたはタングステン合金で構成した場合には、厚い導体膜14C2 をAlまたはAl合金で構成した場合に比べて接続用導体部14CのEM耐性およびSM耐性を向上させることが可能となる。さらに、厚い導体膜14C2 をタングステンまたはタングステン合金で構成した場合には第3層配線11Lを構成するCuと第4層配線13Lを構成するAlまたはAl合金を厚いバリアメタルにて隔離できるため両者の反応による抵抗上昇を防止し易くなる。すなわち、接続孔8fにバリア機能を持つ材料を埋め込むことにより、Cu系材料で構成される第3層配線11Lと、Al系材料で構成される第4層配線13Lとの距離を隔離できるので両者の反応をより低減できる。特に限定されないが、本実施の形態1においては、厚い導体膜14C2 が、例えばタングステンで構成されている。
【0074】
層間絶縁膜4d上には、表面保護膜15が形成されており、これによって第4層配線13Lの表面が被覆されている。表面保護膜15は、例えば保護膜15a上に保護膜15bが積み重ねられてなる。保護膜15aは、例えばSiO2からなり、その上層の保護膜15bは、例えば窒化シリコンからなる。表面保護膜15の一部には、第4層配線13Lの一部が露出するような開口部16が形成されている。第4層配線13Lにおいて、この開口部16から露出する部分は、ボンディングパッド部BPを形成している。すなわち、このボンディングパッド部BPには、ボンディングワイヤが直接接続され、これを通じて半導体集積回路装置を構成するパッケージのリードが電気的に接続されるようになっている。なお、このボンディングパッド部BP上に下地金属層を介して鉛−錫合金または金等からなるバンプ電極を設ける構造としても良い。また、上述の層間絶縁膜4a〜4dは、例えばSOG(Spin On Glass )法で形成された塗布膜、有機膜、フッ素を添加したCVD膜、窒化シリコン膜またはそれらを積み重ねて成る積層膜等でも良い。
【0075】
次に、本実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を図8〜図18によって説明する。
【0076】
まず、同一材料からなる埋め込み配線の形成方法を図8〜図12によって説明する。なお、ここでは、第1層配線6L、第2層配線9Lおよび第3層配線11Lの構造は同じなので、説明を簡単にするため、第1層配線6Lを代表例として埋め込み配線の形成方法を説明する。
【0077】
図8は製造工程中における半導体集積回路装置の要部断面図である。半導体基板1上に形成された層間絶縁膜4aには、半導体基板1の主面(半導体領域3nd)が露出するような接続孔8aがフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって既に穿孔されている。なお、層間絶縁膜4aは、例えばシリコン酸化膜、SOG(Spin On Glass )膜、有機膜、フッ素を添加したCVD膜、窒化シリコン膜またはそれらを積み重ねて成る積層膜等からなる。層間絶縁膜4aは、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition )法により堆積されたシリコン酸化膜を、CMP法等により研磨することにより、その表面が平坦化されている。
【0078】
続いて、図9に示すように、層間絶縁膜4aの上面、接続孔8aの側面および底面に、例えばタングステン(W)等からなる薄い導体膜7C1 をスパッタリング法等によって被着する。この薄い導体膜7C1 は、接続用導体部と層間絶縁膜4aとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜7C2 の形成時の材料ガス等の拡散や厚い導体膜7C2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、タングステンに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばTiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等でも良い。
【0079】
その後、薄い導体膜7C1 上に、例えばタングステン等からなる厚い導体膜7C2 をCVD法等によって被着する。これにより、微細な接続孔8a内に導体膜を良好に充填することができる。この厚い導体膜7C2 は、タングステン等に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばAlまたはAl合金等のような低抵抗な材料でも良い。また、この厚い導体膜7C2 の形成方法は、CVD法に限定されるものではなく、例えばメッキ法、あるいはスパッタ法、CVD法メッキ法を組み合わせたもの等でも良い。
【0080】
ただし、第2層配線および第3層配線においては、接続用導体部10C, 12C(図1参照)の厚い導体膜の形成材料として、上記した材料の他に、CuまたはCu合金を用いても良い。この場合のCuの成膜方法としては、例えばCVD法またはメッキ法等を用いれば良い。
【0081】
次いで、半導体基板1に対して、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing )処理を施すことにより、接続孔8a以外の領域における層間絶縁膜4a上の厚い導体膜7C2 および薄い導体膜7C1 を除去することにより、図10に示すように、接続孔8a内に接続用導体部7Cを形成する。
【0082】
続いて、図11に示すように、層間絶縁膜4a上に、配線用溝形成用のフォトレジストパターン17aを形成した後、これをエッチングマスクとして、そのフォトレジストパターン17aから露出する層間絶縁膜4a部分を除去することにより、層間絶縁膜4aの上部に配線用溝5aおよび配線用溝5b(図1参照)を形成する。この際、配線用溝5a中には先に形成した接続用導体部7Cの上部が突出されている。
【0083】
その後、フォトレジストパターン17aを除去した後、図12に示すように、配線用溝5aを含む層間絶縁膜4aの表面および接続用導体部7Cの露出表面に、例えばTiN等からなる薄い導体膜6L1 をスパッタリング法等によって被着する。この薄い導体膜6L1 は、第1層配線と層間絶縁膜4aとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、TiNに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばタングステン、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等でも良い。
【0084】
次いで、薄い導体膜6L1 上に、例えばCu等からなる厚い導体膜6L2 をCVD法、スパッタリング法またはメッキ法、あるいはそれらの組み合わせ等によって被着する。このCu等の成膜においては、可能な限りオーバーハングが小さくステップカバレージの良い方法を採用することが望ましい。例えばスパッタリング法においては、ターゲットと半導体ウエハとの間の距離が半導体ウエハの半径以上離れているようなスパッタリング装置が適している。この厚い導体膜6L2 は、Cuに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばCu合金、Al、Al合金、タングステンまたはタングステン合金でも良い。
【0085】
上記した配線用の導体膜をスパッタリング法で成膜した場合には、特に、続いて、半導体基板1に対して熱処理を施すことにより、厚い導体膜6L2 の構成原子(例えばCu)を流動させて配線用溝5a内にその構成原子を充分に供給し埋め込む。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。また、この熱処理をCuのスパッタリング最中に施す、いわゆるリフロースパッタリング法を採用しても良い。これらにより、Cu配線のEM特性を向上させることができる。
【0086】
その後、半導体基板1に対してCMP処理を施すことにより、配線用溝5a, 5b(図1参照)以外の領域における層間絶縁膜4a上の厚い導体膜6L2 および薄い導体膜6L1 を除去することにより、図2等に示した第1層配線6Lを形成する。
【0087】
このCMP処理後または処理前に半導体基板1に対して熱処理を施しても良い。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。このCMP処理後の熱処理工程では、厚い導体膜6L2 のCuの粒成長を促進させてEM耐性を向上させるとともに、CMP処理時に薄い導体膜6L1 および厚い導体膜6L2 の表面に生じた損傷や酸化膜をなくしその表面を滑らかにする。同時に絶縁膜4aの表面汚染を除去低減する。これにより、配線の信頼性を向上させることが可能となる。
【0088】
次に、同一の埋め込み配線層に異種導体材料からなる埋め込み配線を形成する方法を図13〜図18によって説明する。これは、上記した同一配線層内に異種の導体材料からなる配線が存在する場合の形成方法例に該当する。なお、本実施の形態1においては、配線用溝5a, 5b内に異種導体材料からなる第1層配線6Lを形成する場合を代表例として説明する。
【0089】
図13は半導体集積回路装置の製造工程中の層間絶縁膜4aの要部斜視図である。層間絶縁膜4aの上部には、配線用溝5aがフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって形成されている。
【0090】
続いて、図14に示すように、配線用溝5aを含む層間絶縁膜4aの表面に、例えばTiN等からなる薄い導体膜6L1 をスパッタリング法等によって被着する。この薄い導体膜6L1 は、第1層配線と層間絶縁膜4aとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、TiNに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばタングステン、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等でも良い。
【0091】
その後、薄い導体膜6L1 上に、例えばCu等からなる厚い導体膜6L2 をCVD法、スパッタリング法またはメッキ法等によって被着する。このCu等の成膜においては、可能な限りオーバーハングが小さくステップカバレージの良い方法を採用することが望ましい。例えばスパッタリング法においては、ターゲットと半導体ウエハとの間の距離が半導体ウエハの半径以上離れているようなスパッタリング装置が適している。この厚い導体膜6L2 は、Cuに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばCu合金、Al、Al合金、タングステンまたはタングステン合金でも良い。
【0092】
上記した配線用の導体膜をスパッタリング法で成膜した場合には、特に、次いで、半導体基板1に対して熱処理を施すことにより、厚い導体膜の構成原子(例えばCu)を流動させて配線用溝5a内にその構成原子を充分に供給し埋め込む。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。また、この熱処理をCuのスパッタリング最中に施す、いわゆるリフロースパッタリング法を採用しても良い。これにより、Cu配線のEM特性を向上させることが可能となる。
【0093】
続いて、半導体基板1に対してCMP処理を施すことにより、配線用溝5a以外の領域における層間絶縁膜4a上の厚い導体膜6L2 および薄い導体膜6L1 を除去することにより、図15に示すように、配線用溝5a内に第1層配線6Lを形成する。
【0094】
このCMP処理後または処理前に半導体基板1に対して熱処理を施しても良い。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。このCMP処理後の熱処理工程では、厚い導体膜6L2 のCuの粒成長を促進させてEM耐性を向上させるとともに、CMP処理時に薄い導体膜6L1 および厚い導体膜6L2 の表面に生じた損傷や酸化膜をなくしその表面を滑らかにする。同時に絶縁膜4aの表面汚染を除去低減する。これにより、配線の信頼性を向上させることが可能となる。
【0095】
その後、図16に示すように、層間絶縁膜4aの上部に、配線用溝5aよりも幅の狭いか、あるいは長さの短い配線用溝5bをフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって形成する。この際、配線用溝5bの深さは、配線用溝5aと同一でも良いが、配線用溝5aの深さとは異なる深さに設定しても良い。例えば図17に示すように配線用溝5bの深さを配線用溝5aの深さよりも深くしても良い。この場合、配線用溝5bは幅は狭いが、深いので配線用溝5b内に埋め込まれる導体膜の配線抵抗を低下させることが可能となる。あるいは配線用溝5bを深くして、下層配線層または半導体基板に到達させ、接続用に使用することも可能である。
【0096】
次いで、上記したのと同様に、配線用溝5a内の第1層配線6Lの上面および配線用溝5bを含む層間絶縁膜4aの表面に、例えばタングステン等からなる薄い導体膜をスパッタリング法等によって被着する。この薄い導体膜は、第1層配線と層間絶縁膜4aとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、タングステンに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばTiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等でも良い。
【0097】
続いて、その薄い導体膜上に、例えばタングステン等からなる厚い導体膜をCVD法等によって被着する。このタングステン等の成膜においては、可能な限りオーバーハングが小さくステップカバレージの良い方法を採用することが望ましい。これにより、幅の狭い配線用溝5bでも、また、図17に示したように配線用溝5aよりも深い配線用溝5bでもその内部に配線用導体を良好に充填することが可能となる。この厚い導体膜は、タングステンに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばタングステン合金、AlまたはAl合金でも良い。
【0098】
次いで、半導体基板1に対してCMP処理を施すことにより、配線用溝5b以外の領域における厚い導体膜および薄い導体膜を除去することにより、図18に示すように、配線用溝5aよりも幅の狭い配線用溝5b内に、配線用溝5a内の薄い導体膜6L1 および厚い導体膜6L2 とは異種の導体材料からなる薄い導体膜6L1 および厚い導体膜6L2 からなる第1層配線6Lを形成する。
【0099】
このように、本実施の形態1によれば、以下の効果を得ることが可能となる。
【0100】
(1).微細な接続孔8a〜8f内にCVD法等を用いて導体膜を充填した後に、接続孔8a〜8fよりも平面寸法の大きな配線用溝5a〜5fを形成し、その配線用溝5a〜5f内に導体膜を充填することで埋め込み構造の第1層配線6L、接続用導体部7C、第2層配線9L、接続用導体部10C、第3層配線11Lおよび接続用導体部12Cを形成したことにより、配線用溝5a〜5fおよびそれよりも微細な接続孔8a〜8fの両方に導体膜を良好に埋め込むことが可能となる。
【0101】
(2).同一配線層に寸法の異なる配線用溝等を有する場合には、微細な配線用溝等とそれよりも大きな配線用溝等とで埋め込みのし易い方法を選択して導体膜を埋め込むことにより、双方の配線用溝内に導体膜を良好に埋め込むことが可能となる。
【0102】
(3).上記(1) または(2) により、配線層間の接続上の信頼性を向上させることが可能となる。したがって、半導体集積回路装置の歩留まりおよび信頼性を向上させることが可能となる。
【0103】
(4).上記(1) または(2) により、埋込配線の微細化を推進することが可能となる。したがって、半導体集積回路装置の小形化あるいは高集積化を推進することが可能となる。
【0104】
(5).上記(1) または(2) により、難しい技術を採用することなく、配線用溝5a〜5fおよび接続孔8a〜8fに導体膜を良好に埋め込むことが可能となる。
【0105】
(6).上記(1) または(2) により、埋込配線材料としてCuまたはCu合金等を用いた場合でもその埋め込みの状態を良好にすることが可能となる。
【0106】
(7).半導体基板1と直接接触する接続用導体部7Cはタングステン系(タングステンまたはタングステン合金)の導体材料で構成し、かつ、接続用導体部7Cと接続される第1層配線6Lは低抵抗なCu系の導体材料で構成することにより、接続孔8a内への導体膜の埋め込み状態を良好に保ちつつ、Cu原子の半導体基板1側への拡散を防止してその拡散現象に起因する接続不良を回避し、かつ、第1層配線6Lの配線抵抗を低減して信号の伝搬速度を向上させることが可能となる。
【0107】
(8).最上の第4層配線13LをAl系(AlまたはAl合金)の導体材料で構成したことにより、従来のワイヤボンディング技術やバンプ電極の形成技術等の組立技術をそのまま踏襲できる。したがって、Cu系の埋め込み配線を有する半導体集積回路装置を容易に組立工程に導入することが可能となる。
【0108】
(9).Al系の導体材料からなる第4層配線13Lとその下層のCu系の導体材料からなる第3層配線11Lとの間にタングステン系の導体材料からなる接続用導体部14Cを設けたことにより、Al系の導体材料とCu系の導体材料とを厚いバリアメタルで隔離できるため、Al系の導体材料とCu系の導体材料とを直接接触させた場合にその接触部に比抵抗の高い合金層が形成されてしまうのを防止することができるので、配線層間の抵抗を低下させることが可能となる。
【0109】
(10). Cu系の導体材料からなる埋め込み配線を形成するためのCMP処理後に半導体基板1に対して熱処理を施すことにより、Cuの粒成長を促進させてEM耐性を向上させるとともに、CMP処理時に配線用の導体膜の表面に生じた損傷や酸化膜等をなくしその表面を滑らかにすることやCMP時に露出する絶縁膜の表面汚染を除去低減することができるので、Cu系の導体材料からなる埋込配線の信頼性を向上させることが可能となる。
【0110】
(実施の形態2)
図19〜図23は本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図、図24は半導体集積回路装置の要部断面図である。
【0111】
本実施の形態2においては、接続用導体部の構造およびその形成方法が前記実施の形態1と異なる。
【0112】
まず、図19に示すように、層間絶縁膜4aの上面に配線用溝形成用のフォトレジストパターン17bを形成した後、そのフォトレジストパターン17bをエッチングマスクとしてエッチング処理を施すことにより、層間絶縁膜4aの上部に配線用溝5aを形成する。
【0113】
続いて、フォトレジストパターン17bを除去した後、図20に示すように、層間絶縁膜4a上に接続孔形成用のフォトレジストパターン17cを形成した後、そのフォトレジストパターン17cをエッチングマスクとしてエッチング処理を施すことにより、配線用溝5aの底面から半導体基板1に向かって延び、かつ、半導体基板1の上面の一部が露出するような接続孔8aを層間絶縁膜4aに穿孔する。
【0114】
その後、フォトレジストパターン17cを除去した後、図21に示すように、接続孔8a内に、例えばタングステン等からなる接続用導体部7Cを選択CVD法等により形成する。この際、接続用導体部7Cの上部が配線用溝5a中に突出していてもかまわない。また、接続用導体部7Cの材料は、タングステンに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばタングステン合金、Al、Al合金でも良い。
【0115】
次いで、図22に示すように、配線用溝5aを含む層間絶縁膜4aの表面および接続用導体部7Cの露出表面に、例えばTiN等からなる薄い導体膜6L1 をスパッタリング法等によって被着する。この薄い導体膜6L1 は、第1層配線と層間絶縁膜4aとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、TiNに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばタングステン、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等でも良い。
【0116】
続いて、薄い導体膜6L1 上に、例えばCu等からなる厚い導体膜6L2 をCVD法、スパッタリング法またはメッキ法等によって被着する。このCu等の成膜においては、可能な限りオーバーハングが小さくステップカバレージの良い方法を採用することが望ましい。例えばスパッタリング法においては、ターゲットと半導体ウエハとの間の距離が半導体ウエハの半径以上離れているようなスパッタリング装置が適している。この厚い導体膜6L2 は、Cuに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばCu合金、Al、Al合金、タングステンまたはタングステン合金でも良い。
【0117】
上記した配線用の導体膜をスパッタリング法で成膜した場合には、特に、次いで、半導体基板1に対して熱処理を施すことにより、厚い導体膜の構成原子(例えばCu)を流動させて配線用溝5a内にその構成原子を充分に供給し埋め込む。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。また、この熱処理をCuのスパッタリング最中に施す、いわゆるリフロースパッタリング法を採用しても良い。これにより、Cu配線のEM特性を向上させることが可能となる。
【0118】
続いて、半導体基板1に対してCMP処理を施すことにより、配線用溝5a以外の領域における層間絶縁膜4a上の厚い導体膜6L2 および薄い導体膜6L1 を除去することにより、図23に示すように、配線用溝5a内に第1層配線6Lを形成する。
【0119】
このCMP処理後または処理前に半導体基板1に対して熱処理を施しても良い。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。このCMP処理後の熱処理工程では、厚い導体膜6L2 のCuの粒成長を促進させてEM耐性を向上させるとともに、CMP処理時に薄い導体膜6L1 および厚い導体膜6L2 の表面に生じた損傷や酸化膜をなくしその表面を滑らかにする。同時に絶縁膜4aの表面汚染を除去低減する。これにより、配線の信頼性を向上させることが可能となる。
【0120】
なお、このような埋め込み配線構造は、図24に示すように、第2層配線9Lに適用しても良い。すなわち、接続用導体部10Cが、例えば選択CVD法で形成されたタングステン、タングステン合金、Al、Al合金、CuまたはCu合金等のような導体膜からなる構造となっている。
【0121】
このような本実施の形態2によれば、前記実施の形態1と同様の効果を得ることが可能となる。
【0122】
(実施の形態3)
図25〜図28および図29〜図32は本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図、図33は半導体集積回路装置の要部断面図である。
【0123】
図25は製造工程中における半導体集積回路装置を示している。層間絶縁膜4aには、前記実施の形態2で説明した方法によって、配線用溝5aおよび接続孔8aが形成されている。
【0124】
まず、本実施の形態3においては、図26に示すように、接続孔8a内に、例えばタングステン等からなる接続用導体部7Cを選択CVD法により形成する。この際、本実施の形態3においては、接続用導体部7Cの上部が配線用溝5aの外側に突出する程度に成膜処理を行う。また、接続用導体部7Cの材料は、タングステンに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばタングステン合金、Al、Al合金でも良い。
【0125】
次いで、図27に示すように、配線用溝5aを含む層間絶縁膜4aの表面および接続用導体部7Cの表面に、例えばTiN等からなる薄い導体膜6L1 をスパッタリング法等によって被着する。この薄い導体膜6L1 は、第1層配線と層間絶縁膜4aとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、TiNに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばタングステン、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等でも良い。
【0126】
続いて、薄い導体膜6L1 上に、例えばCu等からなる厚い導体膜6L2 をCVD法、スパッタリング法またはメッキ法等によって被着する。このCu等の成膜においては、可能な限りオーバーハングが小さくステップカバレージの良い方法を採用することが望ましい。例えばスパッタリング法においては、ターゲットと半導体ウエハとの間の距離が半導体ウエハの半径以上離れているようなスパッタリング装置が適している。この厚い導体膜6L2 は、Cuに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばCu合金、Al、Al合金、タングステンまたはタングステン合金でも良い。
【0127】
上記した配線用の導体膜をスパッタリング法で成膜した場合には、特に、次いで、半導体基板1に対して熱処理を施すことにより、厚い導体膜の構成原子(例えばCu)を流動させて配線用溝5a内にその構成原子を充分に供給し埋め込む。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。また、この熱処理をCuのスパッタリング最中に施す、いわゆるリフロースパッタリング法を採用しても良い。これにより、Cu配線のEM耐性を向上させることができる。
【0128】
続いて、半導体基板1に対してCMP処理を施すことにより、配線用溝5a以外の領域における層間絶縁膜4a上の厚い導体膜6L2 および薄い導体膜6L1 を除去することにより、図28に示すように、配線用溝5a内に第1層配線6Lを形成するとともに、接続用導体7Cを形成する。
【0129】
このCMP処理後または処理前に半導体基板1に対して熱処理を施しても良い。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。このCMP処理後の熱処理工程では、厚い導体膜6L2 のCuの粒成長を促進させてEM耐性を向上させるとともに、CMP処理時に薄い導体膜6L1 および厚い導体膜6L2 の表面に生じた損傷や酸化膜をなくしその表面を滑らかにする。同時に絶縁膜4aの表面汚染を除去低減する。これにより、配線の信頼性を向上させることが可能となる。
【0130】
また、図28の構造のような埋め込み配線を形成するには、例えば次のようにしても良い。
【0131】
まず、図29に示すように、層間絶縁膜4aに半導体基板1の上面の一部が露出するような接続孔8aをフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって形成する。
【0132】
続いて、図30に示すように、接続孔8a内に、例えばタングステン等からなる接続用導体部7Cを選択CVD法により形成する。この際、接続用導体部7Cの上面が層間絶縁膜4aの上面とほぼ一致する程度になるように成膜処理を行う。また、接続用導体部7Cの材料は、タングステンに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばタングステン合金、Al、Al合金でも良い。
【0133】
その後、図31に示すように、層間絶縁膜4aに配線用溝5aをフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって形成形成する。この際、配線用溝5a中に接続用導体部7Cの上部が露出している。
【0134】
次いで、図32に示すように、配線用溝5aを含む層間絶縁膜4aの表面および接続用導体部7Cの露出表面に、例えばTiN等からなる薄い導体膜6L1 をスパッタリング法等によって被着する。この薄い導体膜6L1 は、第1層配線と層間絶縁膜4aとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、TiNに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばタングステン、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等でも良い。
【0135】
続いて、薄い導体膜6L1 上に、例えばCu等からなる厚い導体膜6L2 をCVD法、スパッタリング法またはメッキ法等によって被着する。このCu等の成膜においては、可能な限りオーバーハングが小さくステップカバレージの良い方法を採用することが望ましい。例えばスパッタリング法においては、ターゲットと半導体ウエハとの間の距離が半導体ウエハの半径以上離れているようなスパッタリング装置が適している。この厚い導体膜6L2 は、Cuに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばCu合金、Al、Al合金、タングステンまたはタングステン合金でも良い。
【0136】
上記した配線用の導体膜をスパッタリング法で成膜した場合には、特に、次いで、半導体基板1に対して熱処理を施すことにより、厚い導体膜の構成原子(例えばCu)を流動させて配線用溝5a内にその構成原子を充分に供給し埋め込む。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。また、この熱処理をCuのスパッタリング最中に施す、いわゆるリフロースパッタリング法を採用しても良い。
【0137】
続いて、半導体基板1に対してCMP処理を施すことにより、配線用溝5a以外の領域における層間絶縁膜4a上の厚い導体膜6L2 および薄い導体膜6L1 を除去することにより、図28に示したように、配線用溝5a内に第1層配線6Lを形成するとともに、接続用導体部7Cを形成する。
【0138】
このCMP処理後または処理前に半導体基板1に対して熱処理を施しても良い。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。この熱処理工程では、厚い導体膜6L2 のCuの粒成長を促進させてEM耐性を向上させるとともに、CMP処理時に薄い導体膜6L1 および厚い導体膜6L2 の表面に生じた損傷や酸化膜をなくしその表面を滑らかにする。同時に絶縁膜4aの表面汚染を除去低減する。これにより、配線の信頼性を向上させることが可能となる。
【0139】
なお、このような埋め込み配線構造は、図33に示すように、第2層配線9Lに適用しても良い。すなわち、接続用導体部10Cが、例えば選択CVD法で形成されたタングステン、タングステン合金、Al、Al合金等のような導体膜からなる構造となっている。
【0140】
このように、本実施の形態3によれば、前記実施の形態1と同様の効果を得ることが可能となる。
【0141】
(実施の形態4)
図34および図35は本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の要部断面図である。
【0142】
本実施の形態4においては、図34および図35に示すように、接続用導体部7C, 10Cが薄い導体膜7C1,10C1 で構成されている。すなわち、接続孔8a, 8bが薄い導体膜7C1,10C1 で埋め込まれてしまっている構造である。薄い導体膜7C1,10C1 は、接続用導体部7C, 10Cと層間絶縁膜4a, 4bとの密着性を向上させる機能や配線の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。
【0143】
接続孔8aの直径は、例えば0.1〜0.4μm程度、好ましくは、例えば0.2μm程度である。また、接続孔8aのアスペクト比は、2〜10程度、接続用導体部の埋め込みを良好に行うことを考慮すると5程度より小さいことが好ましい。
【0144】
また、接続孔8bの直径は、例えば0.1〜0.4μm程度、好ましくは、例えば0.2μm程度である。また、接続孔8bのアスペクト比は、2〜10程度、接続用導体部の埋め込みを良好に行うことを考慮すると5程度より小さいことが好ましい。
【0145】
また、配線の構造は図33および図34に示した構造に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば前記実施の形態1で説明した図3〜図5に示す構造にしても良い。
【0146】
このような埋め込み配線の形成方法は、前記実施の形態1の図8〜図12を用いて説明したのと同じである。すなわち、第1層配線6Lの形成方法を一例とすると次の通りである。
【0147】
まず、層間絶縁膜4aに接続孔8aを穿孔した後、その層間絶縁膜4a上に接続孔8aを埋め込むように薄い導体膜7C1 をスパッタリング法等によって被着する。続いて、半導体基板1に対してCMP法等を施すことにより、その薄い導体膜7C1 において接続孔8aの領域以外の部分を除去して、接続孔8a内に、薄い導体膜7C1 のみからなる接続用導体部7Cを形成する。その後、層間絶縁膜4aに配線用溝5aを形成した後、その層間絶縁膜4a上に配線用溝5aを埋め込むように配線用導体膜をスパッタリング法、CVD法またはメッキ法等によって被着する。その後、半導体基板1に対してCMP法等を施すことにより、その配線用導体膜において配線用溝5aの領域以外の部分を除去して、配線用溝5a内に第1層配線6Lを形成する。
【0148】
厚い導体膜6L1 の成膜後またはCMP処理後に半導体基板1に対して熱処理を施しても良い。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。熱処理を施すことにより、厚い導体膜6L2 のCuの粒成長を促進させてEM耐性を向上させるとともに、CMP処理時に薄い導体膜6L1 および厚い導体膜6L2 の表面に生じた損傷や酸化膜をなくしその表面を滑らかにすることと、絶縁膜4aの表面汚染を除去低減することができるので、配線の信頼性を向上させることが可能となる。
【0149】
このような本実施の形態4によれば、前記実施の形態1と同様の効果を得ることが可能となる。
【0150】
(実施の形態5)
図36は本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の要部断面図、図37は図36の半導体集積回路装置の要部拡大断面図、図38は図37に示した半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図、図39は図37に示した半導体集積回路装置の要部拡大断面図、図40および図41は図39に示した半導体集積回路装置の要部拡大断面図、図42は図39の半導体集積回路装置の要部を模式的に示した説明図、図43は図42の変形例を模式的に示した説明図、図44および図45は図42の変形例を模式的に示した説明図、図46〜図50は図36の半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図である。まず、本実施の形態5の半導体集積回路装置の構造を図36〜図50によって説明する。本実施の形態5の基本的な全体構造は、例えば次の通りである。
【0151】
第1に、第1層配線6Lの構成材料には、例えばタングステン、タングステン合金、AlまたはAl合金等のようなCuまたはCu合金以外の導体材料を用いる。これにより、Cu配線を半導体基板1に直接接触させない構造にすることができるので、Cu原子が半導体基板1側に拡散することに起因する素子不良を抑制することができ、半導体集積回路装置の信頼性を向上させることが可能となる。また、Cu配線で構成される第2、第3層配線9L, 11Lと半導体基板1との距離を離すことによりCu原子の半導体基板1への拡散を低減できる。
【0152】
第2に、最上の第4層配線13Lの構成材料には、例えばAlまたはAl合金等を用いる。これにより、従来からあるボンディングワイヤの接続技術やバンプ電極の形成技術をそのまま踏襲できる。すなわち、最上の配線層はボンディングワイヤやバンプ電極が接続されるが、最上の配線材料を従来から用いられているAlまたはAl合金とすることにより、ボンディングワイヤやバンプ電極の接合上の従来技術をそのまま使用することが可能となる。このため、組立工程(ワイヤボンディング工程やバンプ電極形成工程)の技術的な変更等を伴うことなく、Cu系材料からなる埋め込み配線構造を有する半導体集積回路装置を組立ラインに導入することが可能となる。したがって、Cu系材料からなる埋め込み配線を有する半導体集積回路装置のコスト低減を推進でき、製造・開発時間の短期化を推進することが可能となる。
【0153】
第3に、最上の配線層と最下の配線層との間の中間の配線層(第2層配線9Lおよび第3層配線11L)の構成材料には、例えばCuまたはCu合金を用いる。これにより、配線抵抗や配線容量を低減することができ、半導体集積回路装置における信号伝搬速度を向上させることが可能となり、その動作速度を向上させることが可能となる。
【0154】
第4に、Cu系材料で構成された配線層間を接続する接続用導体部18C, 19Cを、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる材料で構成する。これにより、微細な接続孔8g, 8h内に導体膜を良好に埋め込むことができるので、配線層間の電気的な接続の信頼性を向上させることが可能となる。
【0155】
第5に、Al系材料からなる第4層配線13Lと、Cu系材料からなる第3層配線11Lとは直接接触させず、その間にバリア層(接続用導体部20C等)を介在させる。これにより、Al系材料とCu系材料とが直接接触した場合に、比抵抗の高い合金層が形成されてしまう現象を抑制することができるので、配線に流れる信号の伝搬速度を向上させることが可能となる。
【0156】
第6に、接続用導体部19Cと接続用導体部20Cとが接続される部分に位置する配線層中に、少なくても配線の長手方向に沿って接続用導体部19C, 20Cよりも平面的に長く形成された接続用導体部(中継用の接続用導体部)21Cを設けて、上記した接続用導体部19Cと接続用導体部20Cとを電気的に接続した。これにより、接続用導体部21Cが形成される接続用溝5gの平面積を比較的大きくすることができるので、その溝内に配線用導体膜を良好に埋め込むことが可能となる。また、接続用導体部19Cと接続用導体部20Cとの配線の長手方向における平面的な位置合わせ余裕を大きくすることが可能となる。したがって、上下の接続用導体部19C, 20Cの接続上の信頼性を向上させることが可能となる。
【0157】
次に、本実施の形態5の半導体集積回路装置における各構成部を詳細に説明する。
【0158】
配線用溝5a, 5b内に埋め込まれて形成された第1層配線6Lは、下部および側部の相対的に薄い導体膜6L1 と、その薄い導体膜6L1 に囲まれた相対的に厚い導体膜6L2 とで構成されている。薄い導体膜6L1 は、第1層配線6Lと層間絶縁膜4aとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜6L2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。薄い導体膜6L1 をタングステン等で構成した場合には、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合に比べて配線抵抗を低下させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態5においては、薄い導体膜6L1 が、例えばタングステンで構成されている。
【0159】
また、厚い導体膜6L2 は、第1層配線6Lの本体を構成する部材であり、例えばAl、Al合金、タングステンまたはタングステン合金等のような低抵抗な材料からなる。特に限定されないが、本実施の形態5においては、厚い導体膜6L2 が、例えばタングステンで構成されている。
【0160】
ただし、第1層配線6Lの構造は図36および図37に示した構造に限定されるものではなく種々変更可能であり、前記実施の形態1において図3〜図5を用いて説明した構造にしても良い。すなわち、厚い導体膜6L2 および薄い導体膜6L1 上にキャップ導体膜を設ける構造、厚い導体膜6L2 上にキャップ導体膜を設け、かつ、キャップ導体膜の上面と層間絶縁膜4aの上面とをほぼ一致させる構造、厚い導体膜6L2 のみで配線を構成する構造、厚い導体膜6L2 のみで配線を構成した場合にその上面にキャップ導体膜を設ける構造等がある。キャップ導体膜は、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。
【0161】
配線用溝5aの第1層配線6Lは、接続孔8aを通じてnMOS3nの半導体領域3ndまたはpMOS3pの半導体領域3pdと電気的に接続されている。本実施の形態5においては、配線用溝5aおよび接続孔8a内に配線形成用導体膜が一体的に埋め込まれている。
【0162】
このような第1層配線6Lの形成方法は、例えば次のような従来の埋め込み配線の形成方法と同じである。すなわち、配線用溝5a, 5bおよび接続孔8aを別々のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって層間絶縁膜4aに形成した後、例えばタングステン等からなる薄い導体膜6L1 をスパッタリング法によって被着し、さらに、その薄い導体膜6L1 上に、例えばタングステン等からなる厚い導体膜6L2 をCVD法等によって形成する。これにより、微細な接続孔8a内にも導体膜を良好に埋め込むことが可能となっている。その後、CMP処理を施して配線用溝5a, 5bおよび接続孔8a以外の導体膜を除去して、埋め込み構造の第1層配線6Lを形成する。
【0163】
配線用溝5c, 5d内に埋め込まれて形成された第2層配線9Lは、下部および側部の相対的に薄い導体膜9L1 と、その薄い導体膜9L1 に囲まれた相対的に厚い導体膜9L2 とで構成されている。薄い導体膜9L1 は、第2層配線9Lと層間絶縁膜4bとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜9L2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。薄い導体膜9L1 をタングステン等で構成した場合には、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合に比べて配線抵抗を低下させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態5においては、薄い導体膜9L1 が、例えばTiNで構成されている。
【0164】
また、厚い導体膜9L2 は、第2層配線9Lの本体を構成する部材であり、例えばCuまたはCu合金等のような低抵抗な材料からなる。ただし、第2層配線9Lの構造は図36に示した構造に限定されるものではなく種々変更可能であり、前記実施の形態1において図3〜図5を用いて説明した構造にしても良い。すなわち、厚い導体膜9L2 および薄い導体膜9L1 上にキャップ導体膜を設ける構造、厚い導体膜9L2 上にキャップ導体膜を設け、かつ、キャップ導体膜の上面と層間絶縁膜4bの上面とをほぼ一致させる構造、厚い導体膜9L2 のみで配線を構成する構造、厚い導体膜9L2 のみで配線を構成した場合にその上面にキャップ導体膜を設ける構造等がある。キャップ導体膜は、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。
【0165】
配線用溝5cの第2層配線9Lは、接続孔8gを通じて第1層配線6Lと電気的に接続されている。接続孔8gは、配線用溝5cの底面から第1層配線6Lの上面に向かって、その第1層配線6Lの上面の一部が露出するように形成されており、その孔内には、例えばタングステン、タングステン合金、AlまたはAl合金等からなる接続用導体部18Cが設けられている。
【0166】
また、配線用溝5e内に埋め込まれて形成された第3層配線11Lは、第2層配線9Lと構造が同じであり、下部および側部の相対的に薄い導体膜11L1 と、その薄い導体膜11L1 に囲まれた相対的に厚い導体膜11L2 とで構成されている。薄い導体膜11L1 は、第3層配線11Lと層間絶縁膜4cとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜11L2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。
【0167】
薄い導体膜11L1 をタングステン等で構成した場合には、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合に比べて配線抵抗を低下させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態5においては、薄い導体膜11L1 が、例えばTiNで構成されている。
【0168】
また、厚い導体膜11L2 は、第3層配線11Lの本体を構成する部材であり、例えばCuまたはCu合金等のような低抵抗な材料からなる。ただし、第3層配線11Lの構造は図36に示した構造に限定されるものではなく種々変更可能であり、前記実施の形態1において図3〜図5を用いて説明した構造にしても良い。すなわち、厚い導体膜11L2 および薄い導体膜11L1 上にキャップ導体膜を設ける構造、厚い導体膜11L2 上にキャップ導体膜を設け、かつ、キャップ導体膜の上面と層間絶縁膜4bの上面とをほぼ一致させる構造、厚い導体膜11L2 のみで配線を構成する構造、厚い導体膜11L2 のみで配線を構成した場合にその上面にキャップ導体膜を設ける構造等がある。キャップ導体膜は、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。
【0169】
配線用溝5eの第3層配線11Lは、接続孔8hを通じて第2層配線9Lと電気的に接続されている。接続孔8hは、配線用溝5eの底面から第2層配線9Lの上面に向かって、その第2層配線9Lの上面の一部が露出するように形成されており、その孔内には、例えばタングステン、タングステン合金、AlまたはAl合金等からなる接続用導体部19Cが設けられている。後述する図39に示すように、第2層配線9Lは、例えばY方向に延在して設けられ、第2層配線9L間のピッチはX方向に所定の値で設計される。また、第3層配線11Lは、例えばY方向に垂直なX方向に延在して設けられ、第3層配線11L間のピッチPはY方向に所定の値で設計される。
【0170】
このような第2層配線9Lおよび第3層配線11Lの形成方法は、例えば従来の埋め込み配線の形成方法と同じである。すなわち、第2層配線9Lの形成方法を例として説明すると次の通りである。
【0171】
まず、配線用溝5c, 5dおよび接続孔8gを別々のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって層間絶縁膜4bに形成した後、例えばタングステン等からなる導体膜を選択CVD法等によって接続孔8g内に選択的に成長させて接続用導体部18Cを形成する。
【0172】
続いて、例えばTiN等からなる薄い導体膜9L1 をスパッタリング法によって被着し、さらに、その薄い導体膜9L1 上に、例えばCuまたはCu合金等からなる厚い導体膜9L2 を、スパッタリング法、CVD法またはメッキ法等によって形成する。この工程後、熱処理を施してCu原子を配線用溝5c, 5d内に良好に充填するようにしても良い。これにより、微細な接続孔8g内に導体膜を良好に埋め込むことが可能となる。
【0173】
その後、半導体基板1に対してCMP処理を施して配線用溝5c, 5d以外の導体膜を除去し、埋め込み構造の第2層配線9Lを形成する。厚い導体膜9L2 の成膜後またはCMP処理後に半導体基板1に対して熱処理を施しても良い。この際、熱処理雰囲気を不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気のいずれか、あるいはその2つ以上を組み合わせた雰囲気とする。熱処理を施すことにより、厚い導体膜9L2 のCuの粒成長を促進させてEM耐性を向上させるとともに、CMP処理時に薄い導体膜6L1 および厚い導体膜9L2 の表面に生じた損傷や酸化膜をなくしその表面を滑らかにすること、また、絶縁膜4aの表面汚染を除去低減できることができるので、配線の信頼性を向上させることが可能となる。
【0174】
ただし、接続孔8g, 8hの埋め込み構造は、図36等に示した構造に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば図38に示す構造としても良い。すなわち、図38においては、接続孔8g, 8hが薄い導体膜9L1,11L1 で埋め込まれている。この場合の薄い導体膜11L1 の構成材料も上記した材料と同じであり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。厚い導体膜9L2,11L2 は、例えばCuまたはCu合金からなる。
【0175】
また、接続孔8g, 8hが、その下部および側部の相対的に薄い導体膜と薄い導体膜に囲まれた相対的に厚い導体膜とで構成されていても良い。この場合、薄い導体膜は、例えばタングステン、TiN等からなる。厚い導体膜は、例えばタングステン等からなる。
【0176】
一方、層間絶縁膜4cの上部(第3配線層)には、上記した配線用溝5eとともに、それと同じ深さの接続用溝5gが形成されている。接続用溝5gは、配線用溝5eと同時に形成されている。
【0177】
この接続用溝5gは、上記したように、配線の長手方向に沿って長くなるように形成されている。これにより、接続用溝5g内に導体膜を良好に埋め込むことが可能となっている。すなわち、配線用溝5e内に導体膜を埋め込む際、同じ配線層中の接続用溝5gにも同時に導体膜を埋め込む場合、接続用溝5gの平面形状および寸法を下層の接続用導体部19Cの上面の平面形状および寸法とすると、接続用溝5gは微細なので導体膜を充分に埋め込めない場合が生じる。このような不具合を回避するために、接続用溝5gはその平面形状が配線の長手方向に沿って長くなるような形状とすることにより、配線の実装密度の低下を防止しつつ、当該導体膜を良好に埋め込めるようにしたものである。したがって、上下の配線層間を良好に接続することが可能となる。
【0178】
接続用溝5g内には、図36、図40および図41に示すように、接続用導体部21Cが設けられている。図39は第2層配線9L〜第4層配線13Lの一部を示す要部平面図であり、図40は図39のB−B線に沿った要部断面図、図41は図39のC−C線に沿った要部断面図である。なお、図40は図36の右側の第2層配線9L〜第4層配線13L部分を紙面に垂直な方向に切断した場合の断面図である。
【0179】
接続用導体部21Cは、第3層配線11Lと同じ構造となっており、下部および側部の相対的に薄い導体膜21C1 と、その薄い導体膜21C1 に囲まれた相対的に厚い導体膜21C2 とで構成されている。すなわち、接続用導体部21Cは、第3層配線11Lと同じ配線Wで構成される。薄い導体膜21C1 は、接続用導体部21Cと層間絶縁膜4cとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜21C2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。
【0180】
薄い導体膜21C1 をタングステン等で構成した場合には、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等で構成した場合に比べて配線抵抗を低下させることが可能となる。特に限定されないが、本実施の形態5においては、薄い導体膜21C1 は、第3層配線111Lの薄い導体膜11L1 と同時に同じ材料で形成されており、例えばTiNで構成されている。
【0181】
また、厚い導体膜21C2 は、接続用導体部21Cの本体を構成する部材であり、例えばCuまたはCu合金等のような低抵抗な材料からなる。ただし、接続用導体部21Cの構造は図36〜図43に示した構造に限定されるものではなく種々変更可能であり、前記実施の形態1において図3〜図5を用いて説明した構造にしても良い。
【0182】
すなわち、厚い導体膜21C2 および薄い導体膜21C1 上にキャップ導体膜を設ける構造、厚い導体膜21C2 上にキャップ導体膜を設け、かつ、キャップ導体膜の上面と層間絶縁膜4cの上面とをほぼ一致させる構造、厚い導体膜21C2 のみで配線を構成する構造、厚い導体膜21C2 のみで配線を構成した場合にその上面にキャップ導体膜を設ける構造等がある。キャップ導体膜は、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。図39、図42に示すように、接続用導体部21Cの平面形状を配線の長手方向(X方向)が、Y方向の配線幅よりも大きくなるように構成することにより、上下の接続用導体部19C, 20Cの位置合わせ余裕をX方向で大きくすることができる。これにより、第3層配線11LのY方向の配線ピッチPを大きくしなくても、上下の接続用導体部19C, 20Cの位置合わせ余裕をX方向で大きくすることができるので、配線の高密度化、高集積化を実現することができる。また、配線の長手方向の配線長は配線幅以上であり、配線幅の2倍程度以下にすることにより、ドックボーンを用いないで合わせ余裕を大きくでき、かつ、埋込マージンを大きくできる。配線ピッチを大きくする必要がなく、高集積化することができる。
【0183】
また、図43に示すように、接続用導体部21Cの平面形状を、配線の長手方向およびその方向に対して交差する方向(配線幅方向、すなわち、Y方向)に長くなるような形状としても良い。ただし、この場合も配線の長手方向(X方向)がY方向の配線幅よりも大きくなるように構成する。この場合、上下の接続用導体部19C, 20Cの位置合わせ余裕を配線の長手方向および幅方向の双方で大きくすることができる。このため、接続用導体部20Cを埋め込む接続孔8fの形成時の位置合わせ精度を緩和することができるので、接続孔8fを容易に形成することが可能となる。また、接続孔8fの平面位置が設計値よりも多少ずれたとしても接続用導体部20Cと接続用導体部21Cとを良好に接続することが可能となる。
【0184】
また、図44および図45に示すように、前記実施の形態1で説明した構造としても良い。すなわち、接続用導体部19Cの上部が接続用導体部21C中に突出した構造である。この場合は、前記実施の形態1等で説明したのと同じ方法で形成する。すなわち、層間絶縁膜4cに形成された接続孔8h(図36参照)内に接続用導体部19Cを埋め込み形成した後、接続用溝5g(図36参照)を形成し、その後、導体膜を堆積し、さらにCMP処理を施して、その接続用溝5g内に接続用導体部21Cを形成する。
【0185】
第4層配線13Lは、前記実施の形態1と同様に通常の配線構造となっている。第4層配線13Lは、接続孔8f内の接続用導体部20Cを通じて第3層配線11Lまたは接続用導体部21と電気的に接続されている。接続用導体部20Cは、例えば選択CVD法で形成されたタングステンまたはタングステン合金等からなる。
【0186】
すなわち、本実施の形態5においては、Al系材料からなる第4層配線13Lと、Cu系材料からなる第3層配線11Lまたは接続用導体部21Cとを直接接触させず、タングステン系材料からなる接続用導体部20Cを介して電気的に接続する構造となっている。これにより、AlとCuとが直接接触するのを防ぎ、その接触部に比抵抗の高い合金層が形成されてしまうのを防止することが可能な構造になっている。
【0187】
ただし、このような合金層が形成されるのを防止する構造としては、図36に示した構造に限定されず種々変更可能であり、図46〜図54に示す構造としても良い。すなわち、図46は、第4層配線13Lが、薄い導体膜13L1 とその上層に積み重ねられた厚い導体膜13L2 とで構成される構造である。薄い導体膜13L1 は、第4層配線13Lと層間絶縁膜4dとの密着性を向上させる機能や厚い導体膜13L2 の構成原子の拡散を抑制するバリア機能を持つ材料からなり、例えばタングステン(W)、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。また、厚い導体膜13L2 は、例えばAlまたはAl合金等からなる。
【0188】
図47の構造においては、接続孔8fから露出する第3層配線11Lの露出面上に、例えば選択CVD法等で形成されたタングステンまたはタングステン合金等からなる接続用導体部20C1 が設けられ、かつ、接続孔8f内において接続用導体部20C1 上に、例えばAlまたはAl合金等からなる接続用導体部20C2 が設けられている。第3層配線13Lは、この接続用導体部20C(20C2,20C1 )を通じて第3層配線11Lと電気的に接続されている。なお、第3層配線13Lと接続用導体部20Cとは同時に形成しても良い。すなわち、この構造においては、Al系材料からなる第4層配線13Lおよび接続用導体部20C2 と、Cu系材料からなる第3層配線11Lとの接触部はタングステン等からなる接続用導体部20C1 を設けた構造となっている。これにより、その接触部に比抵抗の高い合金層が形成されるのを防ぐことができる。また、接続用導体部20Cの大部分を構成する接続用導体部20C2 を低抵抗なAl系材料で構成したことにより、当該接続用導体部の全てをタングステン等で構成した図36の構造に比べての接続用導体部20Cの抵抗を下げることが可能となっている。
【0189】
図48の構造においては、第2層配線11Lの上部にキャップ導体膜11L3 を設けられている。キャップ導体膜11L3 は、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。また、厚い導体膜13L2 は、例えばAlまたはAl合金等からなる。そして、接続孔8f内には第4層配線13Lと一体的に形成されたAlまたはAl合金等からなる導体膜が埋め込まれている。この場合の場合も、Al系材料からなる第4層配線13Lと、Cu系材料からなる第3層配線11Lとの接触部にタングステン等からなる薄い導体膜11L3 が設けられるので、その接触部に比抵抗の高い合金層が形成されるのを防ぐことができ、かつ、接続孔8f内は低抵抗なAl系材料で埋め込まれるので、図36の場合に比べて層間接続部の抵抗を下げることが可能となっている。
【0190】
図49の構造においては、接続孔8fが薄い導体膜13L1 で埋め込まれている。この場合の薄い導体膜13L1 の構成材料は、上記した材料と同じであり、例えばタングステン、TiN、Ti、Ta、WN、WSiN、TiSiN、TaNまたはTaSiN等からなる。厚い導体膜13L2 は、例えばAlまたはAl合金からなる。
【0191】
図50の構造では、図49の構造において、薄い導体膜13L1 上に厚い導体膜13L2a, 13L2bが下層から順に積み重ねられている。下層側の厚い導体膜13L2aは、例えばタングステンまたはタングステン合金からなり、例えばCVD法またはスパッタリング法等で形成されている。上層側の厚い導体膜13L2bは、例えばAlまたはAl合金からなり、例えばCVD法またはスパッタリング法で形成されている。
【0192】
図51の構造では、Al系からなる第4層配線13L, BPと、Cu系からなる第3層配線11Lとを接続する接続用導体部14Cを、例えばスパッタリング法で形成したタングステン(W)、TiN等のバリアメタル(薄い導体膜)14C1 と、例えばCVDで形成したタングステン(W)等のプラグ(厚い導体膜)14C2 とで構成している。この構造により、コンタクト抵抗を低減することができる。
【0193】
この構造は、例えばスパッタリング法によりバリアメタルを堆積した後、例えばCVD法でタングステン(W)を接続孔8fに埋め込むように堆積し、その後、CMPまたはエッチバックにより、バリアメタル14C1 、プラグ14C2 を接続孔8f内のみに形成することができる。また、接続用導体部14Cを、例えばCVD法でTiNを埋め込んだプラグ14C2 のみで構成しても良い。
【0194】
図52の構造では、図51の構造において、第4層配線13L, BPを、Al系からなる厚い導体膜13L2 と、TiNやタングステン(W)等の高融点金属や金属化合物を成膜した薄い導体膜13L1 とで構成する。これにより、信頼性をさらに向上できる。
【0195】
図53の構造では、図51の構造おいて、接続孔8f内にバリアメタルおよびタングステン(W)を堆積した後、プラグ加工しないで、Al系材料を堆積することで、タングステン、TiN等のバリアメタル(薄い導体膜)13L1 と、タングステン(W)からなる厚い導体膜13L2aと、Al系からなる厚い導体膜13L2bとで第4層配線13L, BPを構成している。このように、プラグ加工することなしに残し、Al合金との積層配線とすることで、プラグ研磨工程の廃止による簡略化と積層構造による信頼性の向上とを図ることができる。
【0196】
図54の構造では、図53の構造において、バリアメタル(薄い導体膜)13L1 を設けずに、例えばCVD法で形成されたTiN等からなる厚い導体膜13L2aと、Al系からなる厚い導体膜13L2bとで第4層配線13L, BPを構成している。例えばCVD法で形成されたTiN膜13L2bは層間絶縁膜との接着性がタングステン(W)膜より良いので、バリアメタル13L1 を設けなくても良く、製造工程を低減できる。図53の構造と同様に、プラグ加工することなしに残し、Al合金との積層配線とすることで、プラグ研磨工程の廃止による簡略化と積層構造による信頼性の向上とを図ることができる。
【0197】
図51に示す接続用導体部14Cの構造を接続用導体部10C, 12C, 18C, 19C,20Cに適用しても良い。図55は、図39〜図42に示す接続用導体部19C, 20Cに図51に示す接続用導体部14Cの構造を適用した構造を示す。薄い導体膜19C1,20C1 にバリアメタル14C1 と同様に構成され、厚い導体膜19C2,20C2 はプラグ14C2 と同様に構成される。
【0198】
図56は、図55に示す第3層配線11L, 21Cをデュアルダマシンで形成した構造を示す。この構造は、接続孔5g, 8hを形成した後、スパッタリング法によりバリアメタルを堆積し、その後、例えばCuを、例えばスパッタリング法により薄く形成した後、さらに電解メッキ法を用いて接続孔5g, 8hに埋め込むように形成する。その後、CMP法等により、バリアメタルからなる薄い導体膜21C1と、Cuからなる厚い導体膜21C2とで構成される第3層配線11L, 21Cが形成される。第3層配線21Cを少なくとも配線の長手方向に沿って接続孔8hよりも平面的に長く形成することにより、接続孔5g, 8hを同時に、例えばCuで埋め込む際の実効的なアスペクト比を低下させることができ、例えばCuの埋め込みの容易化を図ることが可能となる。
【0199】
図57および図58は、図39〜図41に示す接続用導体部21Cを長手方向(X方向)にずらした変形例を示す。図57は、第2層配線9L〜第4層配線13Lの一部を示す要部平面図であり、図58は、図57のC−C線に沿った要部断面図である。これにより、隣接する第2層配線9LのピッチP1 の位置に第2層配線9Lを形成しても、接続用導体部21Cを設けることができる。
【0200】
図59は、図39〜図41に示す接続用導体部21Cを、接続孔8fが配置される場所のみ、長手方向(X方向)に垂直な方向に、ピッチpを変えない程度に太くした変形例を示す。図59に示す接続用導体部21Cを、図57、図58に示す接続用導体部21Cに適用しても良い。
【0201】
(実施の形態6)
図60は本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の要部断面図、図61、図62は図60の半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【0202】
まず、本実施の形態6の半導体集積回路装置の構造を図60を用いて説明する。第1層配線6Lは、例えばタングステン(W)のような銅(Cu)系以外の導電材料で構成され、第2層配線9L、第3層配線11Lは、前記実施の形態5と同様にCu系の導電材料で構成される。
【0203】
第1層配線6Lは、例えばMIS・FETで構成された論理回路内を結線する配線や論理回路間を結線する配線に用いられ、第2層配線9L、第3層配線11Lに比べて比較的短い配線長で構成される。
【0204】
第2層配線9L、第3層配線11Lは、例えば論理回路間を結線する配線に用いられ、一方がX方向、他方がY方向に延在するように構成される。
【0205】
第1層配線6LをW膜で構成することにより、第1層配線6Lを微細パターンで形成でき、高集積化を図ることができ、しかもEM耐性を高くすることができる。
【0206】
また、第1層配線6LにCu系の導電材料を用いていないので、Cuの半導体基板1への拡散を低減でき、信頼性を向上できる。
【0207】
第2層配線9L、第3層配線11LをCu系の導電材料で構成することで、配線の比抵抗が低減され、高速動作が可能となる。
【0208】
接続用導体部7C, 18C, 19C, 20C, 21Cは、それぞれ図51に示す接続用導体部14Cと同様に、例えばスパッタリング法で形成したW等からなるバリアメタル(薄い導体膜)14C1 と、W等からなるプラグ(厚い導体膜)14C2 とで構成される。
【0209】
第4層配線13L、第5層配線102は、例えばアルミニウム(Al)系の導電材料で構成される。
【0210】
第4層配線13Lは、W, TiN等のバリアメタル(薄い導体膜)13L1,13L3 で、AlまたはAl合金からなる厚い導体膜13L2 を挟んだ積層構造で構成される。
【0211】
Al系の導電材料で構成される第4層配線13Lと、Cu系の導電材料で構成される第3層配線11Lとを、Wからなる接続用導体部20Cを介して電気的に接続することにより、AlとCuとにより接触部に比抵抗の高い合金層が形成されるのを防止することが可能となる。なお、第4層配線13Lは、図46〜図54に示す配線構造で構成しても良い。
【0212】
また、第5層配線102は、接続用導体部を介さずに第4層配線13Lに電気的に接続されるが、これに限らず、第4層配線13Lと第3層配線11Lとの間の接続と同じように、接続用導体部20Cと同じ構造の接続用導体部を介して、第5層配線102と第4層配線13Lとを電気的に接続しても良い。
【0213】
また、第5層配線102を第4層配線13Lと同様に積層構造で構成しても良い。
【0214】
第5層配線102上に、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜104が形成され、絶縁膜104に形成された開口部に下部電極106が形成される。第5層配線102は下部電極106を介して半田バンプからなるバンプ電極108に電気的に接続され、下部電極106は、例えばバリアメタルで構成される。
【0215】
以下、図61、図62を用いて第1層配線6L、接続用導体部7Cの形成方法を簡単に説明する。
【0216】
図8と同様に層間絶縁膜4aに接続孔8aを形成した後、図61に示すように、W等からなる薄い導体膜7C1 をスパッタリング法等により堆積し、次に、例えばCVD法でW等からなる厚い導体膜7C2 を接続孔8aに埋め込むように堆積する。
【0217】
次に、図62に示すように、この堆積膜を、例えばCMP法により研磨して、接続孔8a内にW等からなる薄い導体膜7C1 と、W等からなる厚い導体膜7C2 とを埋め込む。
【0218】
例えばPVD(Physical Vapor Deposition )法でW膜を堆積した後、エッチングによりパターニングして第1層配線6Lを形成する。なお、ここでは第1層配線6LをPVD法によるW膜で形成したが、PVD法によるW膜の上に、CVD法等によるW膜を形成した積層構造など、種々変更が可能である。
【0219】
次に、例えばCVD法でシリコン酸化膜を堆積した後、シリコン酸化膜をCMP法により研磨して、表面が平坦化された層間絶縁膜4bを形成する。
【0220】
以降の工程は、前述までの実施N形態1〜5と同様に形成される。
【0221】
本実施の形態6の半導体集積回路装置はバンプ電極108を用いているが、図63に示すように、第5層配線102で構成されるボンディングパッドにボンディングワイヤ110を電気的に接続しても良い。
【0222】
また、本実施の形態6の半導体集積回路装置は、5層の配線層で構成しているが、7層の配線層で構成し、第2層配線〜第5層配線をCu系の導電材料で構成し、第6層配線〜第7層配線をAl系の導電材料で構成しても良い。この場合、第2層配線と第4層配線とは同じ方向に延在するように構成し、第3層配線と第5層配線とは同じ方向に延在するように構成して、論理回路間を接続する配線として使用される。さらに、本実施の形態6では、接続用導体部19Cと接続用導体部20Cとが接続される部分に位置する第3層配線層中に、少なくても配線の長手方向に沿って接続用導体部19C, 20Cよりも平面的に長く形成された接続用導体部21Cを設けているが、接続用導体部21Cに相当する構造を、第2、3、4、5層に設けても良い。
【0223】
図64に、本実施の形態1〜6に示す半導体集積回路装置の平面レイアウトを示す。ゲートアレイ200が繰り返されて配置され、各ゲートアレイ200には、例えばMIS・FET、バイポーラトランジスタ、抵抗等の集積回路素子が組み合わされて配置される。
【0224】
第1層配線〜第5層配線の配線パターンを変えることにより、種々の論理回路が構成され、所定の論理を有する半導体集積回路装置が形成される。
【0225】
図65に、ゲートアレイ200とメモリとしてRAM400とを有する半導体集積回路装置を示す。
【0226】
また、図66に示すように、様々な機能を持つユニット400, 500, 600, 700をLSIの性能に応じて自由に配置しても良い。
【0227】
このように、本実施の形態5,6によれば、前記実施の形態1で得られた(8) 〜(10)の効果の他に、以下の効果を得ることが可能となる。
【0228】
(1).微細な接続孔8a〜8f内にCVD法等を用いて導体膜を充填した後に、接続孔8a〜8fよりも平面寸法の大きな配線用溝5a〜5f内に導体膜を充填することで埋め込み構造の第1層配線6L、第2層配線9Lおよび第3層配線11Lを形成したことにより、配線用溝5a〜5fおよびそれよりも微細な接続孔8a〜8fの両方に導体膜を良好に埋め込むことが可能となる。また、微細な接続孔8a〜8fと、その上に位置する配線用溝5a〜5f内に、同時にCVD法やメッキ法等を用いて導体膜を充填する際に、配線用溝5a〜5fを接続孔8a〜8fよりも平面寸法を大きくすることにより、導体膜を良好に埋め込むことが可能となる。
【0229】
(2).上記(1) により、配線層間の接続上の信頼性を向上させることが可能となる。したがって、半導体集積回路装置の歩留まりおよび信頼性を向上させることが可能となる。
【0230】
(3).上記(1) により、埋め込み配線の微細化を推進することが可能となる。したがって、半導体集積回路装置の小形化あるいは高集積化を推進することが可能となる。
【0231】
(4).上記(1) により、難しい技術を採用することなく、配線用溝5a〜5fおよび接続孔8a〜8fに導体膜を良好に埋め込むことが可能となる。
【0232】
(5).上記(1) により、埋め込み配線材料としてCuまたはCu合金等を用いた場合でもその埋め込みの状態を良好にすることが可能となる。
【0233】
(6).半導体基板1と直接接触する第1層配線6Lはタングステン系の導体材料で構成することにより、接続孔8a内への導体膜の埋め込み状態を良好に保ちつつ、Cu原子の半導体基板1側への拡散現象に起因する素子不良を回避することが可能となる。さらに、第1層配線6Lをタングステン系の導体材料で構成することにより、配線抵抗の低減とエレクトロマイグレーション(以下、EMともいう)耐性の向上が可能となる。
【0234】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0235】
例えば半導体基板において接続用導体部との接触部に、例えばタングステンシリサイドまたはチタンシリサイド等のようなシリサイド層を設けても良い。
【0236】
また、配線層は4層〜7層に限定されるものではなく種々変更可能であり、3層あるいは4層以上でも良い。
【0237】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【0238】
(1).本発明の半導体集積回路装置の製造方法によれば、接続孔を導体膜で充分に埋め込むようしたした後、配線用溝を形成してそれを導体膜で埋め込むようにしたことにより、配線用溝およびそれよりも微細な接続孔の両方に導体膜を良好に埋め込むことが可能となる。
【0239】
(2).本発明の半導体集積回路装置の製造方法によれば、同一配線層に寸法の異なる配線用溝等を有する場合には、微細な配線用溝等とそれよりも大きな配線用溝等とで埋め込みのし易い方法を選択して導体膜を埋め込むことにより、双方の配線用溝内に導体膜を良好に埋め込むことが可能となる。
【0240】
(3).上記(1) または(2) により、配線層間の接続上の信頼性を向上させることが可能となる。したがって、半導体集積回路装置の歩留まりおよび信頼性を向上させることが可能となる。
【0241】
(4).上記(1) または(2) により、埋込配線の微細化を推進することが可能となる。したがって、半導体集積回路装置の小形化あるいは高集積化を推進することが可能となる。
【0242】
(5).上記(1) または(2) により、難しい技術を採用することなく、配線用溝および接続孔に導体膜を良好に埋め込むことが可能となる。したがって、埋込配線を有する半導体集積回路装置のコスト低減を推進することが可能となる。
【0243】
(6).上記(1) または(2) により、埋め込み配線材料としてCuまたはCu合金等を用いた場合でもその埋め込みの状態を良好にすることが可能となる。
【0244】
(7).本発明の半導体集積回路装置の製造方法によれば、配線用溝を含む絶縁膜上にスパッタリング法等で形成したCu系の導体材料を平坦化することで配線用溝等以外の領域のCu系の導体材料を除去して埋込配線を形成した後に熱処理を施すことにより、Cuの粒成長を促進させてEM耐性を向上させるとともに、平坦化処理時にCu系の導体膜の表面に生じた損傷や酸化膜等をなくしその表面を滑らかにすることや、CMP時に露出する絶縁膜表面の汚染を除去低減することができるので、Cu系の導体材料からなる埋込配線の信頼性を向上させることが可能となる。
【0245】
(8).本発明の半導体集積回路装置によれば、半導体基板の上層の配線層に埋込配線を有する半導体集積回路装置であって、前記埋込配線と半導体基板とが接触する部分の配線材料を、タングステン、タングステン合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成し、その上層の配線層における埋込配線を銅または銅合金で構成したことにより、接続孔内への導体膜の埋め込み状態を良好に保ちつつ、Cu原子の半導体基板側への拡散を防止してその拡散現象に起因する素子不良を回避し、かつ、半導体集積回路装置の全体的な配線抵抗の低減を図って信号の伝搬速度を向上させることが可能となる。
【0246】
(9).本発明の半導体集積回路装置によれば、半導体基板の上層の配線層に埋込配線を有する半導体集積回路装置であって、前記配線層のうちの最上の配線層の配線材料をアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成し、その下層の配線層における埋込配線を銅または銅合金で構成したことにより、従来のワイヤボンディング技術やバンプ電極の形成技術等の組立技術をそのまま踏襲できる。したがって、銅系の導体材料からなる埋込配線を有する半導体集積回路装置を容易に組立工程に導入することが可能となる。
【0247】
(10). 本発明の半導体集積回路装置によれば、半導体基板の上層の配線層に埋込配線を有する半導体集積回路装置であって、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる配線と、銅または銅合金からなる配線とを接続する場合には、それらの接合部にバリア導体膜としてプラグを介在させたことにより、アルミニウム系の導体材料と銅系の導体材料とを直接接触させた場合にその接触部に比抵抗の高い合金層が形成されてしまうのを防止することができるので、配線層間の接続抵抗を低下させることが可能となる。
【0248】
(11). 上記(8) 〜(10)により、銅系の導体材料からなる埋込配線を、不具合を生じることなく、半導体集積回路装置の全体構造に組み込むことが可能となる。
【0249】
(12). また、本発明の半導体集積回路装置によれば、前記中継用の接続用導体部は、少なくともその所定の埋込配線の配線延在方向における長さが、前記接続孔の前記配線延在方向の長さよりも長くなるように形成されていることにより、中継用の接続用導体部を形作る接続用溝を比較的大きくすることができるので、接続用溝内に導体膜を良好に埋め込むことができる。したがって、上下の配線層間の電気的な接続上の信頼性を向上させることができ、半導体集積回路装置の歩留まりおよび信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の要部断面図である。
【図2】図1の半導体集積回路装置の第1層配線を示す要部断面図である。
【図3】図2の配線構造の変形例を示す断面図である。
【図4】図2の配線構造の変形例を示す断面図である。
【図5】図2の配線構造の変形例を示す断面図である。
【図6】図1の半導体集積回路装置の第2層配線を示す要部断面図である。
【図7】図1の半導体集積回路装置の配線層間接続の変形例を示す半導体集積回路装置の要部断面図である。
【図8】図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図9】図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図10】図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図11】図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図12】図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図13】図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部の一部破断斜視図である。
【図14】図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部の一部破断斜視図である。
【図15】図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部の一部破断斜視図である。
【図16】図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部の一部破断斜視図である。
【図17】図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部の一部破断斜視図である。
【図18】図1の半導体集積回路装置の製造工程中における要部の一部破断斜視図である。
【図19】本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図20】図19に続く半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図21】図19に続く半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図22】図19に続く半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図23】図19に続く半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図24】本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の要部断面図である。
【図25】本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図26】図25に続く半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図27】図25に続く半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図28】図25に続く半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図29】本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図30】図29に続く半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図31】図29に続く半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図32】図29に続く半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図33】本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の要部断面図である。
【図34】本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の要部断面図である。
【図35】本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の要部断面図である。
【図36】本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の要部断面図である。
【図37】図36の半導体集積回路装置の要部拡大断面図である。
【図38】図37に示した半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図39】図37に示した半導体集積回路装置の要部平面図である。
【図40】図39に示した半導体集積回路装置の要部拡大断面図である。
【図41】図39に示した半導体集積回路装置の要部拡大断面図である。
【図42】図39の半導体集積回路装置の要部を模式的に示した説明図である。
【図43】図42の変形例を模式的に示した説明図である。
【図44】図42の変形例を模式的に示した説明図である。
【図45】図42の変形例を模式的に示した説明図である。
【図46】図36の半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図47】図36の半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図48】図36の半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図49】図36の半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図50】図36の半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図51】図36の半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図52】図36の半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図53】図36の半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図54】図36の半導体集積回路装置の要部の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図55】図41の半導体集積回路装置の変形例を示す断面図である。
【図56】図41の半導体集積回路装置の変形例を示す断面図である。
【図57】図39の半導体集積回路装置の変形例を示す断面図である。
【図58】図57に示した半導体集積回路装置の要部拡大断面図である。
【図59】図39の半導体集積回路装置の変形例を示す平面図である。
【図60】本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の要部断面図である。
【図61】図60の半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図62】図60の半導体集積回路装置の製造工程中における要部断面図である。
【図63】図60の半導体集積回路装置の変形例を示す要部断面図である。
【図64】本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置のレイアウトを示す平面図である。
【図65】図64の半導体集積回路装置の変形例のレイアウトを示す平面図である。
【図66】図64の半導体集積回路装置の変形例のレイアウトを示す平面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 素子分離部
2a 分離用溝
2b 分離用絶縁膜
3n nチャネル形のMOS・FET
3nd 半導体領域
3ni ゲート絶縁膜
3ng ゲート電極
3p pチャネル形のMOS・FET
3pd 半導体領域
3pi ゲート絶縁膜
3pg ゲート電極
4a〜4d 層間絶縁膜
5a〜5f 配線用溝
5g 接続用溝
6L 第1層配線
6L1 薄い導体膜
6L2 厚い導体膜
7C 接続用導体部
7C1 薄い導体膜
7C2 厚い導体膜
8a〜8f 接続孔
9L 第2層配線
9L1 薄い導体膜
9L2 厚い導体膜
10C 接続用導体部
10C1 薄い導体膜
10C2 厚い導体膜
11L 第3層配線
11L1 薄い導体膜
11L2 厚い導体膜
12C 接続用導体部
12C1 薄い導体膜
12C2 厚い導体膜
13L 第4層配線
13L1 薄い導体膜
13L2 厚い導体膜
14C 接続用導体
14C1 薄い導体膜
14C2 厚い導体膜
15 表面保護膜
15a 保護膜
15b 保護膜
16 開口部
17a〜17c フォトレジストパターン
18C 接続用導体部
19C 接続用導体部
19C1 薄い導体膜
19C2 厚い導体膜
20C 接続用導体部
20C1 薄い導体膜
20C2 厚い導体膜
21C 接続用導体部(中継用の接続用導体部)
21C1 薄い導体膜
21C2 厚い導体膜
102 第5層配線
108 バンプ電極
110 ボンディングワイヤ
200 ゲートアレイ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device and a manufacturing technology thereof, and more particularly to a technology effective when applied to a wiring forming technology of a semiconductor integrated circuit device.
[0002]
[Prior art]
As a method of forming wiring of a semiconductor integrated circuit device, for example, there is a process called a damascene method. According to this method, after a trench for forming a wiring is formed in an insulating film, a conductor film for forming a wiring is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate, and the conductor film in a region other than the trench is chemically and mechanically polished (CMP). A method of forming a buried interconnect in a trench for forming an interconnect by removing the buried interconnect by chemical mechanical polishing. In the case of this method, particularly, a method of forming an embedded wiring made of a copper-based (copper or copper alloy) conductive material, which is difficult to perform fine etching, has been studied.
[0003]
Further, there is a dual-damascene method as an application of the damascene method. In this method, after forming a groove for forming a wiring and a connection hole for connecting with a lower layer wiring in an insulating film, a conductor film for forming a wiring is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate, and further, a region other than the groove is formed. By removing the conductive film by CMP, a buried wiring is formed in a groove for forming a wiring, and a plug is formed in a connection hole. In the case of this method, particularly in a semiconductor integrated circuit device having a multilayer wiring structure, the number of steps can be reduced, and the wiring cost can be reduced.
[0004]
Such a wiring forming technique is described in, for example, JP-A-8-78410, 1996 Symp. VLSI. Tech. Digest pp48-49, Electronic Materials, March 1996, pp22-27, JP-A-8-148560, or IBM J. Pharm. RES. DEVELOP. VOL. 39. NO. 4, pp 419-435, July 1995.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the present inventor has found that there is the following problem in the above-described technology for forming an embedded wiring.
[0006]
That is, there is a problem in that the overall image of the structure and manufacturing when the embedded wiring technology is applied to the semiconductor integrated circuit device is not completely established. In particular, in the above-described dual damascene method, the wiring formation groove and the connection hole are simultaneously buried with the same conductor film, but the connection hole finer than the wiring formation groove is sufficiently and simultaneously formed with the wiring formation groove at the same time. It is becoming difficult to embed the semiconductor device while ensuring excellent electrical characteristics with miniaturization of wirings and connection holes. For example, when copper is used as a wiring material, it is difficult to embed copper in a connection hole by a sputtering method. On the other hand, when the plating method is used, the burying ability is high, but the crystal grains immediately after the formation of copper formed by this method are small, and sufficient electrical characteristics may not be obtained in some cases. Further, although the embedding ability of the plating method is high, there is a limit, and it is difficult to embed fine connection holes having a high aspect ratio. This problem also occurs when wiring grooves having different aspect ratios exist in the same buried wiring layer.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a technique capable of satisfactorily embedding a conductor film for embedded wiring in a semiconductor integrated circuit device having an embedded wiring structure without using advanced technology.
[0008]
Another object of the present invention is to provide a technique capable of promoting miniaturization of a wiring groove and / or a connection hole in a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring structure.
[0009]
Another object of the present invention is to provide a technique capable of improving the reliability of an embedded wiring.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a technique capable of incorporating an embedded wiring using a copper-based conductor material into the entire structure of a semiconductor integrated circuit device without causing a problem.
[0011]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0013]
A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring in a wiring layer above a semiconductor substrate,
(A) drilling a connection hole in an insulating film above the semiconductor substrate;
(B) forming a connection conductor film on the insulating film so as to fill the connection hole;
(C) After the step of forming the connection conductor film, the connection conductor film is subjected to a flattening process to remove the connection conductor film other than in the connection hole, thereby forming the connection hole in the connection hole. Forming a connecting conductor,
(D) forming a wiring groove in a wiring forming region of the insulating film after forming the connection conductor portion;
(E) forming a wiring conductor film on the insulating film so as to fill the wiring groove;
(F) After the step of forming the wiring conductor film, the wiring conductor film is subjected to a flattening process to remove the wiring conductor film other than in the wiring groove. And forming a buried wiring therein.
[0014]
Further, in the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, when the conductive film for wiring is made of copper or a copper alloy, and the conductive film is formed by a sputtering method, the flattening process of the conductive film for wiring is performed. It has a step of performing a heat treatment after the step.
[0015]
Further, the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device having an embedded wiring in an upper wiring layer of a semiconductor substrate, wherein a dimension formed in the same embedded wiring layer is smaller. When the conductor films are embedded in different wiring grooves, the conductor films are separately embedded in the wiring grooves having different dimensions.
[0016]
Further, a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring in a wiring layer above a semiconductor substrate,
(A) drilling a wiring groove and a connection hole in an insulating film on an upper layer of the semiconductor substrate;
(B) forming a conductor film made of copper or a copper alloy on the insulating film by sputtering so that the wiring groove and the connection hole are buried;
(C) The conductor film made of copper or a copper alloy is subjected to a flattening process to remove the conductor film made of copper or a copper alloy other than in the wiring groove and the connection hole. A step of embedding a conductor film in the connection hole;
(D) performing a heat treatment after the flattening process of the conductor film made of copper or copper alloy.
[0017]
Further, the semiconductor integrated circuit device of the present invention is a semiconductor integrated circuit device having an embedded wiring in an upper wiring layer of a semiconductor substrate, wherein the wiring material at a portion where the embedded wiring and the semiconductor substrate are in contact is made of tungsten. , A tungsten alloy, titanium, titanium nitride, aluminum or an aluminum alloy, and a buried wiring in an upper wiring layer made of copper or a copper alloy.
[0018]
Further, the semiconductor integrated circuit device of the present invention is a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring in at least one of the upper wiring layers of the semiconductor substrate, wherein the uppermost wiring layer of the wiring layers The wiring material is made of aluminum or an aluminum alloy, and the embedded wiring in the wiring layer below the wiring material is made of copper or a copper alloy. Further, the semiconductor integrated circuit device of the present invention is a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring in a wiring layer above a semiconductor substrate, wherein a wiring made of aluminum or an aluminum alloy and a wiring made of copper or a copper alloy are formed. In the case of connection, a barrier conductor film is interposed between these joints.
[0019]
Further, the semiconductor integrated circuit device of the present invention is a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring in a wiring layer above a semiconductor substrate, wherein the buried wiring is a layer above a wiring layer of a predetermined buried wiring among the wiring layers. When electrically connecting a wiring and a wiring lower than a wiring layer of the predetermined embedded wiring, a connection provided in a connection hole extending from the wiring of the upper layer to a wiring layer of the predetermined embedded wiring. A conductor portion for connection and a connection conductor portion provided in a connection hole extending from the lower layer wiring to the wiring layer of the predetermined embedded wiring, in a connection groove of the wiring layer of the predetermined embedded wiring. A structure for electrically connecting via a provided relay connecting conductor portion, wherein the relay connecting conductor portion has at least a length in a wiring extending direction of the predetermined embedded wiring, The connection hole is formed to be longer than the length of the connection hole in the wiring extending direction. Those which are.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. (Note that components having the same function are denoted by the same reference numerals throughout the drawings for describing the embodiments, and repetitive description thereof will be omitted.) Do).
[0021]
(Embodiment 1)
1 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor integrated circuit device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part showing a first layer wiring of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1, and FIGS. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modification of the wiring structure of FIG. 2, FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part showing a second layer wiring of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1, and FIG. FIG. 8 to FIG. 12 are cross-sectional views of main parts of a semiconductor integrated circuit device during a manufacturing process, showing a modification, and FIGS. 13 to 18 are semiconductor integrated circuit devices of FIG. It is a partially broken perspective view of the principal part during the manufacturing process of FIG.
[0022]
First, the structure of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. The semiconductor substrate 1 is, for example, p P-well PW and N-well NW are formed on the top of the silicon (Si) single crystal. The p-well PW contains, for example, boron (B) as a p-type impurity, and the n-well NW contains, for example, phosphorus (P) or arsenic (As) as an n-type impurity.
[0023]
An element isolation part 2 is formed on the semiconductor substrate 1. The element isolation portion 2 is formed by embedding an isolation insulating film 2b made of, for example, silicon oxide or the like in an isolation groove 2a dug above the semiconductor substrate 1. The upper surface of the element isolation portion 2 is flattened so as to substantially coincide with the main surface of the semiconductor substrate 1.
[0024]
In the region of the p-well PW and the n-well NW surrounded by the element isolation part 2, for example, an n-channel type MOS.FET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor; hereinafter simply referred to as nMOS) 3n and a p-channel type MOS. An FET (hereinafter simply referred to as pMOS) 3p is formed. A CMOS (Complementary MOS) is formed by the nMOS 3n and the pMOS 3p. However, the integrated circuit element formed on the semiconductor substrate 1 is not limited to a MOS-FET or a MIS-FET (Metal Insulator Semiconductor Effect Transistor), but can be variously changed, and can be variously changed. A structure in which these integrated circuit elements are formed on the same semiconductor substrate may be used.
[0025]
The nMOS 3n includes a pair of semiconductor regions 3nd formed apart from each other on the p-well PW, a gate insulating film 3ni formed on the semiconductor substrate 1, and a gate electrode 3ng formed thereon. ing. The channel region of the nMOS 3n is formed between the pair of semiconductor regions 3nd in the p well PW.
[0026]
The semiconductor region 3nd is a region for forming the source / drain region of the nMOS 3n, and contains, for example, an n-type impurity such as phosphorus or As. Note that the semiconductor region 3nd may have a structure including a relatively low-concentration semiconductor region disposed on the channel region side and a relatively high-concentration semiconductor region disposed outside the semiconductor region.
[0027]
The gate insulating film 3ni is made of, for example, silicon oxide. The gate electrode 3ng formed thereon is made of, for example, a single film of low-resistance polysilicon. However, the gate electrode 3ng is not limited to a single film of low-resistance polysilicon, but has a so-called polycide structure in which a silicide film such as tungsten silicide is formed on a single film of low-resistance polysilicon. Alternatively, a so-called polymetal structure in which a metal film such as tungsten is formed on a single film of low-resistance polysilicon via a barrier metal film such as titanium nitride, for example, may be used.
[0028]
On the other hand, the pMOS 3p includes a pair of semiconductor regions 3pd formed apart from each other on the n-well NW, a gate insulating film 3pi formed on the semiconductor substrate 1, and a gate electrode 3pg formed thereon. Have. The channel region of the pMOS 3p is formed between the pair of semiconductor regions 3pd in the n-well NW. The semiconductor region 3pd is a region for forming a source / drain region of the pMOS 3p, and contains, for example, boron as a p-type impurity. The semiconductor region 3pd may have a structure having a relatively low-concentration semiconductor region disposed on the channel region side and a relatively-high-concentration semiconductor region disposed outside the semiconductor region.
[0029]
The gate insulating film 3pi is made of, for example, silicon oxide. The gate electrode 3pg formed thereon is made of, for example, a single film of low-resistance polysilicon. However, the gate electrode 3pg is not limited to a single film of low-resistance polysilicon, but has a so-called polycide structure in which a silicide film such as tungsten silicide is formed on a single film of low-resistance polysilicon. Alternatively, a so-called polymetal structure in which a metal film such as tungsten is formed on a single film of low-resistance polysilicon via a barrier metal film such as titanium nitride, for example, may be used.
[0030]
On such a semiconductor substrate 1, an interlayer insulating film 4a made of, for example, silicon oxide whose surface is flattened by, for example, a CMP method is formed, thereby covering the nMOS 3n and the pMOS 3p. Wiring grooves 5a and 5b having different widths and lengths are formed above the interlayer insulating film 4a. The depth of the wiring grooves 5a and 5b is the same, for example, about 0.3 to 1.0 μm, and preferably about 0.5 μm. The aspect ratio of the wiring groove 5a is preferably, for example, about 0.1 to 1.0, and is preferably smaller than 0.7 in consideration of satisfactorily embedding the wiring conductive film. The aspect ratio of the wiring groove 5b is preferably, for example, about 0.5 to 2.5, and is preferably smaller than 1.5 in consideration of embedding the wiring conductor film.
[0031]
As shown in FIGS. 1 and 2, the first-layer wiring 6L is formed in the wiring grooves 5a and 5b in a buried state. The first layer wiring 6L is composed of a relatively thin conductor film 6L1 at the lower portion and side portions, and a relatively thick conductor film 6L2 surrounded by the thin conductor film 6L1.
[0032]
The thin conductor film 6L1 is made of a material having a function of improving the adhesion between the first-layer wiring 6L and the interlayer insulating film 4a and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 6L2, for example, tungsten (W). , Titanium nitride (TiN), titanium (Ti), tantalum (Ta), tungsten nitride (WN), tungsten nitride silicide (WSiN), titanium nitride silicide (TiSiN), tantalum nitride (TaN), tantalum silicide (TaSiN), etc. Consists of
[0033]
Here, when the thin conductor film 6L1 is formed of tungsten or the like, the wiring resistance can be reduced as compared with the case where the thin conductor film 6L1 is formed of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN, or the like. . Although not particularly limited, in the first embodiment, the thin conductor film 6L1 is made of, for example, TiN. The thick conductor film 6L2 is a member constituting the main body of the first layer wiring 6L, and has a low resistance such as aluminum (Al), Al alloy, tungsten, tungsten alloy, copper (Cu) or Cu alloy. Made of material. As an example of the Al alloy, one obtained by adding one or more elements selected from elements such as Si, Cu, and Ge to a conductor film made of Al can be cited. As an example of the Cu alloy, one obtained by adding one or more elements selected from elements such as magnesium (Mg), Si, and Ti to a conductor film made of Cu is cited. As an example of the tungsten alloy, one obtained by adding one or more elements selected from elements such as Si and N to a conductor film made of tungsten is cited. In the following description, the Al alloy, the tungsten alloy, and the Cu alloy are basically the same as those described above. When the thick conductor film 6L2 is made of Cu or Cu alloy, the wiring resistance can be greatly reduced as compared with the case where it is made of Al or tungsten, and the thick conductor film 6L2 is made of Al or Al alloy. It is also possible to improve the electromigration (EM) resistance of the first-layer wiring 6L as compared with the case where it is configured. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thick conductor film 6L2 is made of, for example, Cu.
[0034]
However, the structure of the first layer wiring 6L is not limited to the structure shown in FIGS. 1 and 2 and can be variously changed. For example, the structure shown in FIGS. FIG. 3 shows a structure in which a cap conductor film 6L3 is provided so as to cover the thin conductor film 6L1 and the thick conductor film 6L2. The cap conductor film 6L3 is made of, for example, tungsten, TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN. This structure can further suppress the diffusion of Cu atoms by applying when the thick conductor film 6L2 is made of Cu or a Cu alloy, thereby further improving the reliability of the semiconductor integrated circuit device. Is possible. Although not particularly limited, it is also suitable for a case where an alloy or the like having a high specific resistance is formed when the wiring material is brought into direct contact with the thick conductive film 6L2 in relation to the wiring material of the upper layer. Note that a structure in which the cap conductor film is provided only on the upper surface of the thick conductor film 6L2 so that the upper surface thereof substantially coincides with the upper surface of the interlayer insulating film 4a may be employed.
[0035]
FIG. 4 shows a structure in which the first-layer wiring 6L is constituted only by the thick conductor film 6L2. That is, the structure has no thin conductive film. FIG. 5 shows a structure in which a cap conductor film 6L3 is provided on the upper surface of the thick conductor film 6L2 in the structure of FIG. This structure is not particularly limited, but is suitable for a case where an alloy or the like having a high specific resistance is formed when the wiring material is brought into direct contact with the thick conductive film 6L2 in relation to the wiring material of the upper layer. .
[0036]
The first layer wiring 6L in the wiring groove 5a is electrically connected to the semiconductor region 3nd of the nMOS 3n or the semiconductor region 3pd of the pMOS 3p through the connecting conductor 7C. Most of the connection conductor 7C is embedded in a connection hole 8a formed in the interlayer insulating film 4a from the bottom surface of the wiring groove 5a toward the upper surface of the semiconductor substrate 1; Is projected into the first layer wiring 6L so as to penetrate the upper and lower surfaces of the first layer wiring 6L. The diameter of the connection hole 8a is, for example, about 0.2 to 1.0 μm, and preferably, for example, about 0.4 μm. Further, the aspect ratio of the connection hole 8a is preferably, for example, about 2 to 6 and smaller than about 4 in consideration of satisfactorily embedding the connection conductor. The upper surface height of the connection conductor 7C is substantially equal to the upper surface height of the first layer wiring 6L.
[0037]
The connection conductor portion 7C is composed of a relatively thin conductor film 7C1 at the lower portion and side portions thereof, and a relatively thick conductor film 7C2 surrounded by the thin conductor film 7C1. The thin conductor film 7C1 is made of a material having a function of improving adhesion between the connection conductor portion 7C and the interlayer insulating film 4a and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 7C2, for example, tungsten, TiN, It is made of Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN or the like.
[0038]
When the thin conductive film 7C1 is made of tungsten or the like, the wiring resistance can be reduced as compared with the case where the thin conductive film 7C1 is made of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN, or the like. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thin conductor film 7C1 is made of, for example, tungsten.
[0039]
The thick conductor film 7C2 is a member constituting the main body of the connection conductor 7C, and is made of a low-resistance material such as Al, an Al alloy, tungsten, or a tungsten alloy. Cu or Cu alloy is not used as a constituent material of the thick conductor film 7C2. That is, in the first embodiment, even if Cu or a Cu alloy is used as the constituent material of the buried conductive film 6L2 of the first layer wiring 6L, the constituent material of the connecting conductor portion 7C directly in contact with the semiconductor substrate 1 is used. Does not use Cu or Cu alloy. This makes it possible to reduce the wiring resistance of the first layer wiring 6L and to suppress a connection failure due to the diffusion of Cu atoms to the semiconductor substrate 1 side.
[0040]
When the thick conductor film 7C2 is made of Al or an Al alloy, the resistance of the connecting conductor 7C can be reduced as compared with the case where it is made of tungsten or a tungsten alloy. When the buried conductor film 7C2 is made of tungsten or a tungsten alloy, the EM resistance and the SM resistance of the connecting conductor 7C are improved as compared with the case where the buried conductor film 7C2 is made of Al or an Al alloy. It becomes possible. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thick conductor film 7C2 is made of, for example, tungsten. Therefore, in the first embodiment, different kinds of conductor films (Cu and the like for forming the first-layer wiring 6L and tungsten and the like for the connection conductor 7C) are provided in the plane at the height of the first-layer wiring 6L. It has an existing structure. The connecting conductor also forms a part of the wiring.
[0041]
In the above description, the case where the first layer wirings 6L in the wiring grooves 5a and 5b are made of the same material has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the constituent material of the thick conductive film 6L2 and the thin conductive film 6L1 embedded in the wiring groove 5b may be different from the constituent material of the thick conductive film 6L2 and the thin conductive film 6L1 embedded in the wiring groove 5a. . This is because, for example, if Cu and the like are simultaneously buried in the wide wiring groove 5a and the narrow wiring groove 5b, the narrow wiring groove 5b may not be sufficiently buried. FIG. 2 shows an example of a structure in which a wide wiring groove 5a is embedded with Cu and a narrow wiring groove 5b is embedded with tungsten or the like by a CVD method or the like. The formation method in this case will be described later.
[0042]
On the interlayer insulating film 4a, an interlayer insulating film 4b in which a silicon oxide film 4b2 having a larger thickness than the silicon nitride film is formed, for example, on a silicon nitride film 4b1 is formed. The silicon nitride film 4b1 functions as a barrier film for preventing diffusion of Cu when the thick conductive film 6L2 or the buried conductive film 7C2 is made of a Cu-based conductive material. When forming a connection hole 8a to be described later, the silicon oxide film 4b2 is etched using the silicon nitride film 4b1 as an etching stopper layer, and then the silicon nitride film 4b2 is etched and removed. When the thick conductor film 6L2 or the buried conductor film 7C2 is made of a conductive material other than Cu, the silicon nitride film 4b1 may not be provided. Over the interlayer insulating film 4b, wiring grooves 5c and 5d having different widths are formed. The depths of the wiring grooves 5c and 5d are the same, for example, about 0.3 to 1.0 μm, and preferably about 0.6 μm. The aspect ratio of the wiring groove 5c is preferably, for example, about 0.1 to 1.0, and is preferably smaller than 0.7 in consideration of satisfactorily embedding the wiring conductor film. The aspect ratio of the wiring groove 5d is preferably, for example, about 0.5 to 2.5, and is preferably smaller than 1.5 in consideration of satisfactorily embedding the wiring conductor film. The silicon oxide film 4b2 is made of, for example, a TEOS (Tetraethoxysilane) film or a SOG (Spin On Glass) film formed by a CVD method. By using the SOG film having a low dielectric constant, the capacitance between wirings can be reduced, and the operation speed of the circuit can be improved.
[0043]
As shown in FIGS. 1 and 6, the second-layer wiring 9L is formed in the wiring grooves 5c and 5d in a buried state. The second-layer wiring 9L is composed of a relatively thin conductor film 9L1 at the lower portion and side portions, and a relatively thick conductor film 9L2 surrounded by the thin conductor film 9L1.
[0044]
The thin conductor film 9L1 is made of a material having a function of improving adhesion between the second-layer wiring 9L and the interlayer insulating film 4b and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 9L2, for example, tungsten, TiN, It is made of Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN or the like.
[0045]
When the thin conductor film 9L1 is made of tungsten or the like, the wiring resistance can be reduced as compared with the case where the thin conductor film 9L1 is made of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thin conductor film 9L1 is made of, for example, TiN.
[0046]
The thick conductor film 9L2 is a member constituting the main body of the second-layer wiring 9L, and is made of a low-resistance material such as Al, an Al alloy, tungsten, a tungsten alloy, Cu, or a Cu alloy. When the thick conductor film 9L2 is made of Cu or a Cu alloy, the wiring resistance can be greatly reduced as compared with the case where it is made of Al or tungsten. Further, the EM resistance of the second layer wiring 9L can be improved as compared with the case where the thick conductor film 9L2 is made of Al or an Al alloy. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thick conductor film 9L2 is made of, for example, Cu.
[0047]
However, the structure of the second-layer wiring 9L is not limited to the structure shown in FIGS. 1 and 6, and can be variously changed. For example, the structure shown in FIGS. You may do it. That is, a structure in which a cap conductor film is provided on the upper surfaces of the thick conductor film 9L2 and the thin conductor film 9L1 may be used. This cap conductor film is made of a material having a barrier function, such as a low-resistance material such as tungsten, or a material such as TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, or TaSiN. This structure can further suppress the diffusion of Cu atoms, particularly when the thick conductor film 9L2 is made of Cu or a Cu alloy, thereby further improving the reliability of the semiconductor integrated circuit device. Is possible. Although not particularly limited, it is suitable for a case where an alloy or the like having a high specific resistance is formed when the wiring material is brought into direct contact with the thick conductive film 9L2 in relation to the wiring material of the upper layer. Note that a structure in which the cap conductor film is provided only on the upper surface of the thick conductor film 6L2 so that the upper surface thereof substantially coincides with the upper surface of the interlayer insulating film 4a may be employed.
[0048]
As another structure, a structure in which the second-layer wiring 9L is constituted only by the thick conductor film 9L2 may be used. That is, the structure has no thin conductive film. As still another structure, a structure in which a cap conductive film is provided on the upper surface of the thick conductive film 9L2 in the structure without the thin conductive film may be used. Although this structure is not particularly limited, it is suitable for a case where an alloy or the like having a high specific resistance value is formed when the wiring material is brought into direct contact with the thick conductive film 9L2 in relation to the wiring material of the upper layer. I have.
[0049]
The second layer wiring 9L formed in the wiring groove 5c is electrically connected to the first layer wiring 6L through the connection conductor 10C. Most of the connection conductor portion 10C is embedded in a connection hole 8b formed in the interlayer insulating film 4b from the bottom surface of the wiring groove 5c toward the upper surface of the first layer wiring 6L. The upper part of the portion 10C protrudes into the second layer wiring 9L so as to penetrate the upper and lower surfaces of the second layer wiring 9L. The diameter of the connection hole 8b is, for example, about 0.2 to 1.2 μm, and preferably, for example, about 0.4. Further, the aspect ratio of the connection hole 8b is preferably about 2 to 6, and is preferably smaller than about 4 in consideration of good embedding of the connection conductor. The upper surface height of the connection conductor 10C is substantially equal to the upper surface height of the second layer wiring 9L, that is, the upper surface height of the interlayer insulating film 4b.
[0050]
The connection conductor portion 10C is composed of a relatively thin conductor film 10C1 at the lower and side portions thereof, and a relatively thick conductor film 10C2 surrounded by the thin conductor film 10C1. The thin conductor film 10C1 is made of a material having a function of improving adhesion between the connection conductor portion 10C and the interlayer insulating film 4b and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 10C2. It is made of Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN or the like.
[0051]
When the thin conductor film 10C1 is made of tungsten or the like, the wiring resistance can be reduced as compared with the case where the thin conductor film 10C1 is made of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN, or the like. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thin conductor film 10C1 is made of, for example, tungsten.
[0052]
The thick conductor film 10C2 is a member constituting the main body of the connection conductor 7C, and is made of a low-resistance material such as Al, an Al alloy, tungsten, a tungsten alloy, Cu, or a Cu alloy. When the thick conductor film 10C2 is made of, for example, Cu or a Cu alloy, the resistance of the connection hole conductor 10C can be reduced as compared with the case of being made of Al, an Al alloy, tungsten, or a tungsten alloy, and The EM resistance of the connection conductor 10C can be improved. When the thick conductor film 10C2 is made of Al or an Al alloy, the resistance of the connecting conductor 10C can be reduced as compared with the case where it is made of tungsten or a tungsten alloy. When the buried conductor film 10C2 is made of tungsten or a tungsten alloy, the EM resistance and the SM resistance of the connecting conductor 10C are improved as compared with the case where the buried conductor film 10C2 is made of Al or an Al alloy. It becomes possible. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thick conductor film 10C2 is made of, for example, tungsten.
[0053]
In the interlayer insulating film 4b, a connection hole 8c is drilled from the upper surface to the upper surface of the first layer wiring 6L so as to expose a part of the first layer wiring 6L. Is formed in a state where the connecting conductor 10C is embedded. The diameter of the connection hole 8c is, for example, about 0.2 to 1.2 μm, and preferably, for example, about 0.4 μm. Further, the aspect ratio of the connection hole 8c is preferably about 2 to 6, and is preferably smaller than about 4 in consideration of satisfactorily embedding the connection conductor. The connecting conductor 10C has the same structure as that described above, but is not directly connected to the second-layer wiring 9L in FIG. However, the constituent materials of the thick conductor film 10C2 and the thin conductor film 10C1 of the connection conductor portion 10C embedded in the connection hole 8c are changed to the thick conductor film 10C2 and the thin conductor film 10C1 of the connection conductor portion 10C embedded in the connection hole 8b. You may comprise with a conductor material different from a constituent material.
[0054]
In the above description, the case where the second layer wirings 9L in the wiring grooves 5c and 5d are made of the same material has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the constituent material of the thick conductive film 9L2 and the thin conductive film 9L1 embedded in the wiring groove 5d is made of a different conductive material from the constituent material of the thick conductive film 9L2 and the thin conductive film 9L1 embedded in the wiring groove 5c. May be. This is because, for example, if Cu and the like are simultaneously buried in the wide wiring groove 5c and the narrow wiring groove 5d, the narrow wiring groove 5d may not be sufficiently buried. FIG. 5 shows an example of a structure in which a wide wiring groove 5c is buried with Cu and a narrow wiring groove 5d is buried with tungsten or the like by a CVD method or the like. The formation method in this case will be described later.
[0055]
On the interlayer insulating film 4b, an interlayer insulating film 4c composed of, for example, a silicon nitride film 4c1 and a silicon oxide film 4c2 is formed like the interlayer insulating film 4b. Over the interlayer insulating film 4c, wiring grooves 5e and 5f having different widths are formed. The depths of the wiring grooves 5e and 5f are the same, for example, about 0.3 to 1.0 μm, and preferably about 0.6 μm. The aspect ratio of the wiring groove 5e is preferably, for example, about 0.1 to 1.0, and is preferably smaller than 0.7 in consideration of satisfactorily burying the wiring conductor film. The aspect ratio of the wiring groove 5f is preferably, for example, about 0.5 to 2.5, and is preferably smaller than 1.5 in consideration of satisfactorily embedding the wiring conductor film.
[0056]
As shown in FIG. 1, the third-layer wiring 11L is formed in the wiring grooves 5e and 5f so as to be buried. The third-layer wiring 11L is composed of a relatively thin conductor film 11L1 at the lower portion and side portions, and a relatively thick conductor film 11L2 surrounded by the thin conductor film 11L1.
[0057]
The thin conductor film 11L1 is made of a material having a function of improving the adhesion between the third-layer wiring 11L and the interlayer insulating film 4c and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 11L2, such as tungsten, TiN, or the like. It is made of Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN or the like.
[0058]
When the thin conductor film 11L1 is made of tungsten or the like, the wiring resistance can be reduced as compared with the case where it is made of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN, or the like. When the thin conductor film 11L1 is made of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN, or the like, it is possible to particularly improve the adhesion with the interlayer insulating film 4c. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thin conductor film 11L1 is made of, for example, TiN.
[0059]
The thick conductive film 11L2 is a member constituting the main body of the third-layer wiring 11L, and is made of a low-resistance material such as Al, an Al alloy, tungsten, a tungsten alloy, Cu, or a Cu alloy. When the thick conductor film 11L2 is made of Cu or Cu alloy, the wiring resistance can be greatly reduced as compared with the case where it is made of Al or tungsten. Further, the EM resistance of the third-layer wiring 11L can be improved as compared with the case where the thick conductor film 11L2 is made of Al or an Al alloy. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thick conductor film 11L2 is made of, for example, Cu.
[0060]
However, the structure of the third-layer wiring 11L is not limited to the structure shown in FIG. 1 and can be variously changed. For example, the structure shown in FIGS. good. That is, a structure in which a cap conductor film is provided on the upper surfaces of the thick conductor film 11L2 and the thin conductor film 11L1 may be used. This cap conductor film is made of a material having a barrier function, such as a low-resistance material such as tungsten, or a material such as TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, or TaSiN. This structure can further suppress the diffusion of Cu atoms, particularly when the thick conductor film 11L2 is formed of Cu or a Cu alloy, thereby further improving the reliability of the semiconductor integrated circuit device. Is possible. Although not particularly limited, it is suitable for a case where an alloy or the like having a high specific resistance is formed when the wiring material is brought into direct contact with the thick conductive film 11L2 in relation to the wiring material of the upper layer. Note that a structure in which the cap conductor film is provided only on the upper surface of the thick conductor film 11L2 such that the upper surface thereof substantially coincides with the upper surface of the interlayer insulating film 4a may be employed.
[0061]
As another structure, a structure in which the third-layer wiring 11L is formed only of the thick conductor film 11L2 may be used. That is, the structure has no thin conductive film. As still another structure, a structure in which a cap conductive film is provided on the upper surface of the wiring groove 5a in a structure without the thin conductive film may be used. This structure is not particularly limited, but is suitable for a case where an alloy or the like having a high specific resistance is formed when the wiring material and the thick conductive film 11L2 are brought into direct contact with each other in relation to the wiring material of the upper layer. .
[0062]
The third-layer wiring 11L formed in the wiring grooves 5e and 5f is electrically connected to the second-layer wiring 9L through the connection conductor 12C. Most of the connection conductor 12C is embedded in a connection hole 8d formed in the interlayer insulating film 4c from the bottom surfaces of the wiring grooves 5e and 5f toward the upper surface of the second layer wiring 9L. The upper portion of the conductor portion 12C protrudes into the third-layer wiring 11L so as to penetrate the upper and lower surfaces of the third-layer wiring 11L. The diameter of the connection hole 8d is, for example, about 0.2 to 1.2 μm, and preferably, for example, about 0.4 μm. Further, the aspect ratio of the connection hole 8d is preferably about 2 to 6, and is preferably smaller than about 4 in consideration of satisfactorily embedding the connection conductor. The upper surface height of the connection conductor 12C is substantially equal to the upper surface height of the third-layer wiring 11L, that is, the upper surface height of the interlayer insulating film 4c.
[0063]
The connection conductor portion 12C is composed of a relatively thin conductor film 12C1 at the lower portion and side portions thereof, and a relatively thick conductor film 12C2 surrounded by the thin conductor film 12C1. The thin conductor film 12C1 is made of a material having a function of improving adhesion between the connection conductor portion 12C and the interlayer insulating film 4c and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 12C2, for example, tungsten, TiN, It is made of Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN or the like.
[0064]
When the thin conductor film 12C1 is made of tungsten or the like, the wiring resistance can be reduced as compared with the case where it is made of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thin conductor film 12C1 is made of, for example, tungsten.
[0065]
The thick conductor film 12C2 is a member constituting the main body of the connection conductor 12C, and is made of a low-resistance material such as Al, an Al alloy, tungsten, a tungsten alloy, Cu, or a Cu alloy. When the thick conductor film 12C2 is made of, for example, Cu or a Cu alloy, the resistance of the connection hole conductor 12C can be reduced as compared with the case of being made of Al, Al alloy, tungsten, or a tungsten alloy, and The EM resistance of the connection conductor 12C can be improved. When the thick conductor film 12C2 is made of Al or an Al alloy, the resistance of the connecting conductor 12C can be reduced as compared with the case where it is made of tungsten or a tungsten alloy. When the thick conductor film 12C2 is made of tungsten or a tungsten alloy, the EM resistance and the SM resistance of the connecting conductor 12C can be improved as compared with the case where the thick conductor film 12C2 is made of Al or an Al alloy. It becomes possible. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thick conductor film 12C2 is made of, for example, tungsten.
[0066]
In the interlayer insulating film 4c, a connection hole 8e is drilled from the upper surface to the upper surface of the second layer wiring 9L so that a part of the second layer wiring 9L is exposed. Is formed in a state where the connecting conductor portion 12C is embedded. The diameter of the connection hole 8e is, for example, about 0.2 to 1.2 μm, and preferably, for example, about 0.5 μm. The aspect ratio of the connection hole 8e is preferably about 2 to 6, and is preferably smaller than about 4 in consideration of satisfactorily embedding the connection conductor. The structure of the connection conductor 12C is the same as that described above, but is not directly connected to the third-layer wiring 11L in FIG. The connection conductor 12C is in contact with and electrically connected to the connection conductor 10C formed in the lower connection hole 8c. That is, the first embodiment has a structure in which the connecting conductor portions 10C and 12C are electrically connected to each other while penetrating the predetermined wiring layer in the wiring layer having the embedded wiring structure. I have. By forming the connecting conductor 12C with the same constituent material as the connecting conductor 10C, the connection resistance can be reduced. That is, the contact resistance and the like can be reduced as compared with the case where the connecting conductor portions 10C and 12C are connected via the second layer wiring 9L made of a different conductive material. Can be.
[0067]
However, the constituent materials of the thick conductor film 12C2 and the thin conductor film 12C1 of the connection conductor portion 12C embedded in the connection hole 8e are changed to those of the thick conductor film 12C2 and the thin conductor film 12C1 of the connection conductor portion 12C embedded in the connection hole 8e. You may comprise with a conductor material different from a constituent material.
[0068]
Also, as shown in FIG. 7, the connection structure between the connection conductor portions 10C and 12C on the right side of FIG. 1 is such that the third layer wiring 11L and the first layer wiring 6L are connected through the interlayer insulating films 4c and 4b. A structure may be employed in which electrical connection is made directly through one connection conductor 12C in the hole 8e1. Thereby, the connection resistance can be reduced.
[0069]
On the interlayer insulating film 4c, an interlayer insulating film 4d composed of a silicon nitride film 4d1 and a silicon oxide film 4d2 is formed, for example, like the interlayer insulating film 4b. On the upper surface of the interlayer insulating film 4d, a fourth layer wiring 13L is formed. The fourth-layer wirings 13L, 13L are made of, for example, Al or an Al alloy, and are electrically connected to the lower-layer third-layer wiring 11L and the connecting conductor portion 12C through connection holes 8f, 8f formed in the interlayer insulating film 4d, respectively. Have been.
[0070]
By using, for example, Al or an Al alloy as a constituent material of the uppermost fourth-layer wiring 13L, a conventional bonding wire connection technique and a conventional bump electrode formation technique can be directly used. That is, the bonding wire and the bump electrode are connected to the uppermost wiring layer. However, by using the conventionally used Al or Al alloy as the uppermost wiring material, the conventional technology for bonding the bonding wire and the bump electrode can be improved. It can be used as it is. Therefore, it is possible to introduce a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring structure made of a Cu-based material into an assembly line without any technical change in an assembling process (a wire bonding process or a bump electrode forming process). Become. Therefore, it is possible to promote the cost reduction of a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring made of a Cu-based material, and to promote a reduction in manufacturing and development time.
[0071]
The diameter of the connection hole 8f is, for example, about 0.2 to 1.2 μm, and preferably, for example, about 0.5 μm. Further, the aspect ratio of the connection hole 8f is preferably about 2 to 6, and is preferably smaller than about 4 in consideration of satisfactorily embedding the connection conductor. The connection conductor 8C is embedded in the connection hole 8f. The connection conductor portion 14C is composed of a relatively thin conductor film 14C1 at the lower portion and side portions thereof, and a relatively thick conductor film 14C2 surrounded by the thin conductor film 14C1. The connection conductor 14C does not penetrate the fourth-layer wiring 13L.
[0072]
The thin conductor film 14C1 is made of a material having a function of improving the adhesion between the connection conductor portion 14C and the interlayer insulating film 4d and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 14C2, for example, tungsten, TiN, It is made of Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN or the like. When the thin conductor film 14C1 is made of tungsten or the like, the wiring resistance can be reduced as compared with the case where the thin conductor film 14C1 is made of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thin conductor film 14C1 is made of, for example, tungsten.
[0073]
The thick conductor film 14C2 is a member constituting the main body of the connection conductor portion 14C, and is made of a low-resistance material such as Al, an Al alloy, tungsten, and a tungsten alloy. When the thick conductor film 14C2 is made of Al or an Al alloy, the resistance of the connecting conductor 14C can be reduced as compared with the case where it is made of tungsten or a tungsten alloy. When the thick conductor film 14C2 is made of tungsten or a tungsten alloy, the EM resistance and the SM resistance of the connection conductor 14C can be improved as compared with the case where the thick conductor film 14C2 is made of Al or an Al alloy. It becomes possible. Further, when the thick conductor film 14C2 is made of tungsten or a tungsten alloy, Cu forming the third-layer wiring 11L and Al or Al alloy forming the fourth-layer wiring 13L can be isolated by a thick barrier metal, so that both of them can be separated. It is easy to prevent the resistance from increasing due to the reaction. That is, by embedding a material having a barrier function in the connection hole 8f, the distance between the third-layer wiring 11L made of a Cu-based material and the fourth-layer wiring 13L made of an Al-based material can be isolated. Reaction can be further reduced. Although not particularly limited, in the first embodiment, the thick conductor film 14C2 is made of, for example, tungsten.
[0074]
A surface protection film 15 is formed on the interlayer insulating film 4d, and covers the surface of the fourth layer wiring 13L. The surface protective film 15 is formed by, for example, stacking a protective film 15b on a protective film 15a. The protective film 15a is made of, for example, SiO2, and the protective film 15b thereover is made of, for example, silicon nitride. An opening 16 is formed in a part of the surface protection film 15 so that a part of the fourth-layer wiring 13L is exposed. In the fourth layer wiring 13L, a portion exposed from the opening 16 forms a bonding pad BP. That is, a bonding wire is directly connected to the bonding pad portion BP, and a lead of a package constituting the semiconductor integrated circuit device is electrically connected through the bonding wire. Note that a structure in which a bump electrode made of a lead-tin alloy, gold, or the like is provided on the bonding pad portion BP with a base metal layer interposed therebetween may be adopted. The above-mentioned interlayer insulating films 4a to 4d may be, for example, a coating film formed by an SOG (Spin On Glass) method, an organic film, a CVD film added with fluorine, a silicon nitride film, or a stacked film obtained by stacking them. good.
[0075]
Next, a method of manufacturing the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
[0076]
First, a method of forming a buried interconnect made of the same material will be described with reference to FIGS. Here, since the structures of the first layer wiring 6L, the second layer wiring 9L and the third layer wiring 11L are the same, in order to simplify the description, the method of forming the buried wiring using the first layer wiring 6L as a representative example will be described. explain.
[0077]
FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part of the semiconductor integrated circuit device during a manufacturing process. In the interlayer insulating film 4a formed on the semiconductor substrate 1, a connection hole 8a for exposing the main surface (semiconductor region 3nd) of the semiconductor substrate 1 is already formed by photolithography and dry etching. The interlayer insulating film 4a is made of, for example, a silicon oxide film, an SOG (Spin On Glass) film, an organic film, a CVD film to which fluorine is added, a silicon nitride film, or a stacked film obtained by stacking them. The surface of the interlayer insulating film 4a is planarized by polishing a silicon oxide film deposited by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method by a CMP method or the like.
[0078]
Subsequently, as shown in FIG. 9, a thin conductor film 7C1 made of, for example, tungsten (W) is deposited on the upper surface of the interlayer insulating film 4a and the side and bottom surfaces of the connection hole 8a by a sputtering method or the like. The thin conductor film 7C1 has a function of improving the adhesion between the connection conductor portion and the interlayer insulating film 4a, and suppresses the diffusion of material gas and the like when forming the thick conductor film 7C2 and the diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 7C2. The material is not limited to tungsten and can be variously changed. For example, TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, or TaSiN may be used.
[0079]
Thereafter, a thick conductor film 7C2 made of, for example, tungsten or the like is deposited on the thin conductor film 7C1 by a CVD method or the like. Thereby, the conductive film can be satisfactorily filled in the fine connection holes 8a. This thick conductor film 7C2 is not limited to tungsten or the like, but can be variously changed, and may be a low-resistance material such as Al or an Al alloy. The method of forming the thick conductor film 7C2 is not limited to the CVD method, but may be a plating method, a sputtering method, a combination of a plating method and a CVD method, or the like.
[0080]
However, in the second-layer wiring and the third-layer wiring, Cu or a Cu alloy may be used as a material for forming the thick conductor film of the connecting conductor portions 10C and 12C (see FIG. 1) in addition to the above-described materials. good. In this case, as a method of forming the Cu film, for example, a CVD method, a plating method, or the like may be used.
[0081]
Next, the semiconductor substrate 1 is subjected to, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing) to remove the thick conductive film 7C2 and the thin conductive film 7C1 on the interlayer insulating film 4a in a region other than the connection hole 8a. As shown in FIG. 10, a connection conductor 7C is formed in the connection hole 8a.
[0082]
Subsequently, as shown in FIG. 11, after a photoresist pattern 17a for forming a wiring groove is formed on the interlayer insulating film 4a, the interlayer insulating film 4a exposed from the photoresist pattern 17a is used as an etching mask. By removing the portion, a wiring groove 5a and a wiring groove 5b (see FIG. 1) are formed above the interlayer insulating film 4a. At this time, the upper portion of the connection conductor portion 7C previously formed protrudes into the wiring groove 5a.
[0083]
Thereafter, after removing the photoresist pattern 17a, as shown in FIG. 12, a thin conductive film 6L1 made of, for example, TiN is formed on the surface of the interlayer insulating film 4a including the wiring groove 5a and the exposed surface of the connection conductor 7C. Is applied by a sputtering method or the like. The thin conductor film 6L1 is made of a material having a function of improving the adhesion between the first layer wiring and the interlayer insulating film 4a and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film, and is limited to TiN. Instead, various changes can be made. For example, tungsten, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, or TaSiN may be used.
[0084]
Next, a thick conductor film 6L2 made of, for example, Cu is deposited on the thin conductor film 6L1 by a CVD method, a sputtering method, a plating method, or a combination thereof. In this film formation of Cu or the like, it is desirable to adopt a method with as small an overhang as possible and good step coverage. For example, in the sputtering method, a sputtering apparatus in which the distance between the target and the semiconductor wafer is larger than the radius of the semiconductor wafer is suitable. The thickness of the thick conductor film 6L2 is not limited to Cu but may be variously changed. For example, a Cu alloy, Al, an Al alloy, tungsten, or a tungsten alloy may be used.
[0085]
When the conductor film for wiring is formed by a sputtering method, in particular, subsequently, heat treatment is performed on the semiconductor substrate 1 so that constituent atoms (for example, Cu) of the thick conductor film 6L2 flow. The constituent atoms are sufficiently supplied and embedded in the wiring groove 5a. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. Also, a so-called reflow sputtering method in which this heat treatment is performed during the sputtering of Cu may be employed. Thus, the EM characteristics of the Cu wiring can be improved.
[0086]
Thereafter, the semiconductor substrate 1 is subjected to a CMP process to remove the thick conductor film 6L2 and the thin conductor film 6L1 on the interlayer insulating film 4a in a region other than the wiring grooves 5a and 5b (see FIG. 1). Then, the first layer wiring 6L shown in FIG. 2 and the like is formed.
[0087]
After or before the CMP process, the semiconductor substrate 1 may be subjected to a heat treatment. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. In the heat treatment step after the CMP treatment, the grain growth of Cu of the thick conductor film 6L2 is promoted to improve the EM resistance, and the damage and oxide film generated on the surfaces of the thin conductor film 6L1 and the thick conductor film 6L2 during the CMP treatment are improved. And smooth its surface. At the same time, the surface contamination of the insulating film 4a is removed and reduced. Thereby, the reliability of the wiring can be improved.
[0088]
Next, a method of forming an embedded wiring made of a different conductor material in the same embedded wiring layer will be described with reference to FIGS. This corresponds to the above-described example of a forming method in the case where wirings made of different types of conductive materials exist in the same wiring layer. In the first embodiment, a case where first layer wiring 6L made of a different kind of conductor material is formed in wiring grooves 5a and 5b will be described as a representative example.
[0089]
FIG. 13 is a perspective view of a main part of the interlayer insulating film 4a during the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device. Above the interlayer insulating film 4a, a wiring groove 5a is formed by photolithography and dry etching.
[0090]
Subsequently, as shown in FIG. 14, a thin conductor film 6L1 made of, for example, TiN is deposited on the surface of the interlayer insulating film 4a including the wiring groove 5a by a sputtering method or the like. The thin conductor film 6L1 is made of a material having a function of improving the adhesion between the first layer wiring and the interlayer insulating film 4a and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film, and is limited to TiN. Instead, various changes can be made. For example, tungsten, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, or TaSiN may be used.
[0091]
Thereafter, a thick conductor film 6L2 made of, for example, Cu is deposited on the thin conductor film 6L1 by a CVD method, a sputtering method, a plating method, or the like. In this film formation of Cu or the like, it is desirable to adopt a method with as small an overhang as possible and good step coverage. For example, in the sputtering method, a sputtering apparatus in which the distance between the target and the semiconductor wafer is larger than the radius of the semiconductor wafer is suitable. The thickness of the thick conductor film 6L2 is not limited to Cu but may be variously changed. For example, a Cu alloy, Al, an Al alloy, tungsten, or a tungsten alloy may be used.
[0092]
In the case where the above-described conductor film for wiring is formed by a sputtering method, in particular, by subsequently performing heat treatment on the semiconductor substrate 1, constituent atoms (for example, Cu) of the thick conductor film are fluidized to form a wiring. The constituent atoms are sufficiently supplied and embedded in the groove 5a. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. Also, a so-called reflow sputtering method in which this heat treatment is performed during the sputtering of Cu may be employed. This makes it possible to improve the EM characteristics of the Cu wiring.
[0093]
Subsequently, the semiconductor substrate 1 is subjected to a CMP process to remove the thick conductor film 6L2 and the thin conductor film 6L1 on the interlayer insulating film 4a in a region other than the wiring groove 5a, as shown in FIG. Next, the first layer wiring 6L is formed in the wiring groove 5a.
[0094]
After or before the CMP process, the semiconductor substrate 1 may be subjected to a heat treatment. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. In the heat treatment step after the CMP treatment, the grain growth of Cu of the thick conductor film 6L2 is promoted to improve the EM resistance, and the damage and oxide film generated on the surfaces of the thin conductor film 6L1 and the thick conductor film 6L2 during the CMP treatment are improved. And smooth its surface. At the same time, the surface contamination of the insulating film 4a is removed and reduced. Thereby, the reliability of the wiring can be improved.
[0095]
Thereafter, as shown in FIG. 16, a wiring groove 5b narrower or shorter than the wiring groove 5a is formed on the interlayer insulating film 4a by photolithography and dry etching. At this time, the depth of the wiring groove 5b may be the same as that of the wiring groove 5a, or may be set to a depth different from the depth of the wiring groove 5a. For example, as shown in FIG. 17, the depth of the wiring groove 5b may be greater than the depth of the wiring groove 5a. In this case, although the width of the wiring groove 5b is narrow, it is deep, so that the wiring resistance of the conductive film embedded in the wiring groove 5b can be reduced. Alternatively, the wiring groove 5b may be deepened to reach the lower wiring layer or the semiconductor substrate and used for connection.
[0096]
Next, in the same manner as described above, a thin conductor film made of, for example, tungsten or the like is formed on the upper surface of the first layer wiring 6L in the wiring groove 5a and the surface of the interlayer insulating film 4a including the wiring groove 5b by a sputtering method or the like. To adhere. This thin conductor film is made of a material having a function of improving the adhesion between the first layer wiring and the interlayer insulating film 4a and a barrier function of suppressing the diffusion of atoms constituting the thick conductor film, and is not limited to tungsten. For example, TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, or TaSiN may be used.
[0097]
Subsequently, a thick conductor film made of, for example, tungsten or the like is deposited on the thin conductor film by a CVD method or the like. In the film formation of tungsten or the like, it is desirable to adopt a method with as small an overhang as possible and good step coverage. This makes it possible to fill the wiring conductor satisfactorily even in the narrow wiring groove 5b or in the wiring groove 5b deeper than the wiring groove 5a as shown in FIG. This thick conductor film is not limited to tungsten, but can be variously changed. For example, a tungsten alloy, Al, or an Al alloy may be used.
[0098]
Then, the semiconductor substrate 1 is subjected to a CMP process to remove the thick conductor film and the thin conductor film in a region other than the wiring groove 5b, thereby obtaining a width wider than the wiring groove 5a as shown in FIG. In the narrow wiring groove 5b, a first layer wiring 6L composed of a thin conductive film 6L1 and a thick conductive film 6L2 made of a different conductive material from the thin conductive film 6L1 and the thick conductive film 6L2 in the wiring groove 5a is formed. I do.
[0099]
As described above, according to the first embodiment, the following effects can be obtained.
[0100]
(1). After filling the fine connection holes 8a to 8f with a conductive film using a CVD method or the like, wiring grooves 5a to 5f having a larger plane dimension than the connection holes 8a to 8f are formed, and the wiring grooves 5a to 5f are formed. A first layer wiring 6L, a connecting conductor 7C, a second layer wiring 9L, a connecting conductor 10C, a third layer wiring 11L, and a connecting conductor 12C having a buried structure were formed by filling the inside with a conductive film. This makes it possible to satisfactorily embed the conductor film in both the wiring grooves 5a to 5f and the finer connection holes 8a to 8f.
[0101]
(2). In the case where the same wiring layer has wiring grooves or the like having different dimensions, by selecting a method that is easy to embed with a fine wiring groove or the like and a larger wiring groove or the like, and burying the conductor film, It is possible to satisfactorily embed the conductive film in both the wiring grooves.
[0102]
(3). According to the above (1) or (2), it is possible to improve the reliability of connection between wiring layers. Therefore, the yield and reliability of the semiconductor integrated circuit device can be improved.
[0103]
(4). According to the above (1) or (2), miniaturization of the embedded wiring can be promoted. Therefore, miniaturization or high integration of the semiconductor integrated circuit device can be promoted.
[0104]
(5). According to the above (1) or (2), the conductor film can be satisfactorily embedded in the wiring grooves 5a to 5f and the connection holes 8a to 8f without employing a difficult technique.
[0105]
(6). According to the above (1) or (2), even when Cu or Cu alloy or the like is used as the embedded wiring material, it is possible to improve the state of the embedded wiring.
[0106]
(7). The connection conductor portion 7C that is in direct contact with the semiconductor substrate 1 is made of a tungsten-based (tungsten or tungsten alloy) conductor material, and the first-layer wiring 6L connected to the connection conductor portion 7C is a low-resistance Cu-based material. By preventing the diffusion of Cu atoms to the semiconductor substrate 1 side while avoiding the state where the conductive film is buried in the connection holes 8a, the connection failure caused by the diffusion phenomenon can be avoided while maintaining a good state of embedding the conductive film in the connection holes 8a. In addition, it is possible to reduce the wiring resistance of the first layer wiring 6L and improve the signal propagation speed.
[0107]
(8). Since the uppermost fourth layer wiring 13L is made of an Al-based (Al or Al alloy) conductive material, it is possible to directly follow the conventional assembling techniques such as a wire bonding technique and a bump electrode forming technique. Therefore, a semiconductor integrated circuit device having a Cu-based embedded wiring can be easily introduced into an assembling process.
[0108]
(9). By providing the connecting conductor portion 14C made of a tungsten-based conductor material between the fourth-layer wire 13L made of an Al-based conductor material and the third-layer wire 11L made of a Cu-based conductor material therebelow, Since the Al-based conductor material and the Cu-based conductor material can be separated by a thick barrier metal, when the Al-based conductor material and the Cu-based conductor material are brought into direct contact, an alloy layer having a high specific resistance is formed at the contact portion. Can be prevented from being formed, so that the resistance between wiring layers can be reduced.
[0109]
(10). By subjecting the semiconductor substrate 1 to a heat treatment after the CMP processing for forming the embedded wiring made of a Cu-based conductor material, the grain growth of Cu is promoted to improve the EM resistance, and at the same time the wiring processing is performed during the CMP processing. The buried wiring made of a Cu-based conductive material can eliminate the damage and oxide film generated on the surface of the conductive film and smooth the surface and remove and reduce the surface contamination of the insulating film exposed during CMP. Can be improved in reliability.
[0110]
(Embodiment 2)
19 to 23 are cross-sectional views of main parts during a manufacturing process of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 24 is a cross-sectional view of main parts of the semiconductor integrated circuit device.
[0111]
The second embodiment differs from the first embodiment in the structure of the connecting conductor and the method of forming the same.
[0112]
First, as shown in FIG. 19, after a photoresist pattern 17b for forming a wiring groove is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 4a, an etching process is performed using the photoresist pattern 17b as an etching mask. A wiring groove 5a is formed on the upper part of 4a.
[0113]
Subsequently, after removing the photoresist pattern 17b, as shown in FIG. 20, after forming a photoresist pattern 17c for forming a connection hole on the interlayer insulating film 4a, an etching process is performed using the photoresist pattern 17c as an etching mask. Is performed, a connection hole 8a extending from the bottom surface of the wiring groove 5a toward the semiconductor substrate 1 and exposing a part of the upper surface of the semiconductor substrate 1 is formed in the interlayer insulating film 4a.
[0114]
Thereafter, after removing the photoresist pattern 17c, as shown in FIG. 21, a connection conductor portion 7C made of, for example, tungsten or the like is formed in the connection hole 8a by a selective CVD method or the like. At this time, the upper part of the connection conductor 7C may protrude into the wiring groove 5a. Further, the material of the connecting conductor 7C is not limited to tungsten, but may be variously changed, and may be, for example, a tungsten alloy, Al, or an Al alloy.
[0115]
Next, as shown in FIG. 22, a thin conductor film 6L1 made of, for example, TiN is deposited on the surface of the interlayer insulating film 4a including the wiring groove 5a and the exposed surface of the connection conductor portion 7C by a sputtering method or the like. The thin conductor film 6L1 is made of a material having a function of improving the adhesion between the first layer wiring and the interlayer insulating film 4a and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film, and is limited to TiN. Instead, various changes can be made. For example, tungsten, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, or TaSiN may be used.
[0116]
Subsequently, a thick conductor film 6L2 made of, for example, Cu is deposited on the thin conductor film 6L1 by a CVD method, a sputtering method, a plating method, or the like. In this film formation of Cu or the like, it is desirable to adopt a method with as small an overhang as possible and good step coverage. For example, in the sputtering method, a sputtering apparatus in which the distance between the target and the semiconductor wafer is larger than the radius of the semiconductor wafer is suitable. The thickness of the thick conductor film 6L2 is not limited to Cu but may be variously changed. For example, a Cu alloy, Al, an Al alloy, tungsten, or a tungsten alloy may be used.
[0117]
In the case where the above-described conductor film for wiring is formed by a sputtering method, in particular, by subsequently performing heat treatment on the semiconductor substrate 1, constituent atoms (for example, Cu) of the thick conductor film are fluidized to form a wiring. The constituent atoms are sufficiently supplied and embedded in the groove 5a. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. Also, a so-called reflow sputtering method in which this heat treatment is performed during the sputtering of Cu may be employed. This makes it possible to improve the EM characteristics of the Cu wiring.
[0118]
Subsequently, the semiconductor substrate 1 is subjected to a CMP process to remove the thick conductor film 6L2 and the thin conductor film 6L1 on the interlayer insulating film 4a in a region other than the wiring groove 5a, as shown in FIG. Next, the first layer wiring 6L is formed in the wiring groove 5a.
[0119]
After or before the CMP process, the semiconductor substrate 1 may be subjected to a heat treatment. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. In the heat treatment step after the CMP treatment, the grain growth of Cu of the thick conductor film 6L2 is promoted to improve the EM resistance, and the damage and oxide film generated on the surfaces of the thin conductor film 6L1 and the thick conductor film 6L2 during the CMP treatment are improved. And smooth its surface. At the same time, the surface contamination of the insulating film 4a is removed and reduced. Thereby, the reliability of the wiring can be improved.
[0120]
Such an embedded wiring structure may be applied to the second-layer wiring 9L as shown in FIG. That is, the connection conductor portion 10C has a structure made of a conductor film made of, for example, tungsten, a tungsten alloy, Al, an Al alloy, Cu, or a Cu alloy formed by a selective CVD method.
[0121]
According to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
[0122]
(Embodiment 3)
25 to 28 and FIGS. 29 to 32 are cross-sectional views of main parts of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention during the manufacturing process, and FIG. 33 is a cross-sectional view of main parts of the semiconductor integrated circuit device. .
[0123]
FIG. 25 shows the semiconductor integrated circuit device during the manufacturing process. In the interlayer insulating film 4a, the wiring groove 5a and the connection hole 8a are formed by the method described in the second embodiment.
[0124]
First, in the third embodiment, as shown in FIG. 26, a connection conductor 7C made of, for example, tungsten or the like is formed in the connection hole 8a by a selective CVD method. At this time, in the third embodiment, the film forming process is performed to such an extent that the upper portion of the connecting conductor portion 7C projects outside the wiring groove 5a. Further, the material of the connecting conductor 7C is not limited to tungsten, but may be variously changed, and may be, for example, a tungsten alloy, Al, or an Al alloy.
[0125]
Next, as shown in FIG. 27, a thin conductor film 6L1 made of, for example, TiN or the like is formed on the surface of the interlayer insulating film 4a including the wiring groove 5a and the surface of the connection conductor 7C by a sputtering method or the like. The thin conductor film 6L1 is made of a material having a function of improving the adhesion between the first layer wiring and the interlayer insulating film 4a and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film, and is limited to TiN. Instead, various changes can be made. For example, tungsten, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, or TaSiN may be used.
[0126]
Subsequently, a thick conductor film 6L2 made of, for example, Cu is deposited on the thin conductor film 6L1 by a CVD method, a sputtering method, a plating method, or the like. In this film formation of Cu or the like, it is desirable to adopt a method with as small an overhang as possible and good step coverage. For example, in the sputtering method, a sputtering apparatus in which the distance between the target and the semiconductor wafer is larger than the radius of the semiconductor wafer is suitable. The thickness of the thick conductor film 6L2 is not limited to Cu but may be variously changed. For example, a Cu alloy, Al, an Al alloy, tungsten, or a tungsten alloy may be used.
[0127]
In the case where the above-described conductor film for wiring is formed by a sputtering method, in particular, by subsequently performing heat treatment on the semiconductor substrate 1, constituent atoms (for example, Cu) of the thick conductor film are fluidized to form a wiring. The constituent atoms are sufficiently supplied and embedded in the groove 5a. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. Also, a so-called reflow sputtering method in which this heat treatment is performed during the sputtering of Cu may be employed. Thereby, the EM resistance of the Cu wiring can be improved.
[0128]
Subsequently, the semiconductor substrate 1 is subjected to a CMP process to remove the thick conductor film 6L2 and the thin conductor film 6L1 on the interlayer insulating film 4a in a region other than the wiring groove 5a, as shown in FIG. Next, the first layer wiring 6L is formed in the wiring groove 5a, and the connection conductor 7C is formed.
[0129]
After or before the CMP process, the semiconductor substrate 1 may be subjected to a heat treatment. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. In the heat treatment step after the CMP treatment, the grain growth of Cu of the thick conductor film 6L2 is promoted to improve the EM resistance, and the damage and oxide film generated on the surfaces of the thin conductor film 6L1 and the thick conductor film 6L2 during the CMP treatment are improved. And smooth its surface. At the same time, the surface contamination of the insulating film 4a is removed and reduced. Thereby, the reliability of the wiring can be improved.
[0130]
Further, in order to form a buried wiring like the structure of FIG. 28, for example, the following may be performed.
[0131]
First, as shown in FIG. 29, a connection hole 8a that exposes a part of the upper surface of the semiconductor substrate 1 is formed in the interlayer insulating film 4a by a photolithography technique and a dry etching technique.
[0132]
Subsequently, as shown in FIG. 30, a connection conductor 7C made of, for example, tungsten or the like is formed in the connection hole 8a by a selective CVD method. At this time, the film forming process is performed so that the upper surface of the connecting conductor portion 7C substantially coincides with the upper surface of the interlayer insulating film 4a. Further, the material of the connecting conductor 7C is not limited to tungsten, but may be variously changed, and may be, for example, a tungsten alloy, Al, or an Al alloy.
[0133]
Thereafter, as shown in FIG. 31, a wiring groove 5a is formed in the interlayer insulating film 4a by photolithography and dry etching. At this time, the upper portion of the connecting conductor 7C is exposed in the wiring groove 5a.
[0134]
Next, as shown in FIG. 32, a thin conductor film 6L1 made of, for example, TiN is deposited on the surface of the interlayer insulating film 4a including the wiring groove 5a and the exposed surface of the connection conductor 7C by a sputtering method or the like. The thin conductor film 6L1 is made of a material having a function of improving the adhesion between the first layer wiring and the interlayer insulating film 4a and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film, and is limited to TiN. Instead, various changes can be made. For example, tungsten, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, or TaSiN may be used.
[0135]
Subsequently, a thick conductor film 6L2 made of, for example, Cu is deposited on the thin conductor film 6L1 by a CVD method, a sputtering method, a plating method, or the like. In this film formation of Cu or the like, it is desirable to adopt a method with as small an overhang as possible and good step coverage. For example, in the sputtering method, a sputtering apparatus in which the distance between the target and the semiconductor wafer is larger than the radius of the semiconductor wafer is suitable. The thickness of the thick conductor film 6L2 is not limited to Cu but may be variously changed. For example, a Cu alloy, Al, an Al alloy, tungsten, or a tungsten alloy may be used.
[0136]
In the case where the above-described conductor film for wiring is formed by a sputtering method, in particular, by subsequently performing heat treatment on the semiconductor substrate 1, constituent atoms (for example, Cu) of the thick conductor film are fluidized to form a wiring. The constituent atoms are sufficiently supplied and embedded in the groove 5a. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. Also, a so-called reflow sputtering method in which this heat treatment is performed during the sputtering of Cu may be employed.
[0137]
Subsequently, the semiconductor substrate 1 is subjected to a CMP process to remove the thick conductor film 6L2 and the thin conductor film 6L1 on the interlayer insulating film 4a in a region other than the wiring groove 5a, as shown in FIG. As described above, the first-layer wiring 6L is formed in the wiring groove 5a, and the connection conductor 7C is formed.
[0138]
After or before the CMP process, the semiconductor substrate 1 may be subjected to a heat treatment. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. In this heat treatment step, the EM resistance is improved by promoting the growth of Cu grains of the thick conductor film 6L2, and the damage and oxide film generated on the surfaces of the thin conductor film 6L1 and the thick conductor film 6L2 during the CMP treatment are eliminated. To smooth out. At the same time, the surface contamination of the insulating film 4a is removed and reduced. Thereby, the reliability of the wiring can be improved.
[0139]
Note that such an embedded wiring structure may be applied to the second layer wiring 9L as shown in FIG. That is, the connection conductor portion 10C has a structure made of a conductor film made of, for example, tungsten, a tungsten alloy, Al, or an Al alloy formed by a selective CVD method.
[0140]
As described above, according to the third embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
[0141]
(Embodiment 4)
FIGS. 34 and 35 are cross-sectional views of main parts of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention.
[0142]
In the fourth embodiment, as shown in FIGS. 34 and 35, the connection conductors 7C and 10C are formed of thin conductor films 7C1 and 10C1. That is, the structure is such that the connection holes 8a and 8b are buried with the thin conductor films 7C1 and 10C1. The thin conductor films 7C1 and 10C1 are made of a material having a function of improving adhesion between the connection conductor portions 7C and 10C and the interlayer insulating films 4a and 4b and a barrier function of suppressing diffusion of wiring constituent atoms. , TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN.
[0143]
The diameter of the connection hole 8a is, for example, about 0.1 to 0.4 μm, and preferably, for example, about 0.2 μm. Further, the aspect ratio of the connection hole 8a is preferably about 2 to 10, and is preferably smaller than about 5 in consideration of satisfactorily embedding the connection conductor.
[0144]
The diameter of the connection hole 8b is, for example, about 0.1 to 0.4 μm, preferably, for example, about 0.2 μm. Further, the aspect ratio of the connection hole 8b is preferably about 2 to 10, and is preferably smaller than about 5 in consideration of satisfactorily embedding the connection conductor.
[0145]
Further, the structure of the wiring is not limited to the structure shown in FIGS. 33 and 34, and may be variously changed. For example, the structure shown in FIGS. 3 to 5 described in the first embodiment may be adopted.
[0146]
The method of forming such a buried wiring is the same as that described with reference to FIGS. That is, the method of forming the first layer wiring 6L is as follows, as an example.
[0147]
First, after forming a connection hole 8a in the interlayer insulating film 4a, a thin conductor film 7C1 is deposited on the interlayer insulating film 4a by a sputtering method or the like so as to fill the connection hole 8a. Subsequently, by applying a CMP method or the like to the semiconductor substrate 1, a portion other than the region of the connection hole 8 a in the thin conductor film 7 C 1 is removed, and a connection consisting of only the thin conductor film 7 C 1 is formed in the connection hole 8 a. The conductor portion 7C is formed. Then, after forming a wiring groove 5a in the interlayer insulating film 4a, a wiring conductive film is deposited on the interlayer insulating film 4a by a sputtering method, a CVD method, a plating method, or the like so as to fill the wiring groove 5a. After that, the semiconductor substrate 1 is subjected to a CMP method or the like, thereby removing a portion other than the region of the wiring groove 5a in the wiring conductor film to form the first layer wiring 6L in the wiring groove 5a. .
[0148]
The heat treatment may be performed on the semiconductor substrate 1 after the formation of the thick conductor film 6L1 or after the CMP process. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. By performing the heat treatment, the grain growth of Cu of the thick conductor film 6L2 is promoted to improve the EM resistance, and at the same time, the damage and the oxide film generated on the surfaces of the thin conductor film 6L1 and the thick conductor film 6L2 during the CMP process are eliminated. Since the surface can be smoothed and the surface contamination of the insulating film 4a can be removed and reduced, the reliability of the wiring can be improved.
[0149]
According to the fourth embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
[0150]
(Embodiment 5)
36 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention, FIG. 37 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 36, and FIG. 38 is a semiconductor integrated circuit shown in FIG. FIG. 39 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a modification of the main part of the circuit device. FIG. 39 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 37. FIGS. 40 and 41 are semiconductor integrated circuit devices shown in FIG. 42 is an explanatory view schematically showing the main part of the semiconductor integrated circuit device in FIG. 39, FIG. 43 is an explanatory view schematically showing a modification of FIG. 42, FIG. 44 and FIG. 45 is an explanatory view schematically showing a modified example of FIG. 42, and FIGS. 46 to 50 are enlarged cross-sectional views of main parts showing modified examples of main parts of the semiconductor integrated circuit device of FIG. First, the structure of the semiconductor integrated circuit device according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. The basic overall structure of the fifth embodiment is as follows, for example.
[0151]
First, as a constituent material of the first layer wiring 6L, a conductive material other than Cu or Cu alloy such as tungsten, tungsten alloy, Al or Al alloy is used. As a result, a structure in which the Cu wiring is not brought into direct contact with the semiconductor substrate 1 can be achieved, so that element failure due to diffusion of Cu atoms to the semiconductor substrate 1 side can be suppressed, and the reliability of the semiconductor integrated circuit device can be reduced. It is possible to improve the performance. Further, by increasing the distance between the second and third layer wirings 9L and 11L formed of Cu wiring and the semiconductor substrate 1, diffusion of Cu atoms into the semiconductor substrate 1 can be reduced.
[0152]
Second, for example, Al or an Al alloy is used as a constituent material of the uppermost fourth-layer wiring 13L. This allows the conventional bonding wire connection technology and bump electrode formation technology to be directly followed. That is, the bonding wire and the bump electrode are connected to the uppermost wiring layer. However, by using the conventionally used Al or Al alloy as the uppermost wiring material, the conventional technology for bonding the bonding wire and the bump electrode can be improved. It can be used as it is. Therefore, it is possible to introduce a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring structure made of a Cu-based material into an assembly line without any technical change in an assembling process (a wire bonding process or a bump electrode forming process). Become. Therefore, it is possible to promote the cost reduction of a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring made of a Cu-based material, and to promote a reduction in manufacturing and development time.
[0153]
Thirdly, for example, Cu or a Cu alloy is used as a constituent material of an intermediate wiring layer (second-layer wiring 9L and third-layer wiring 11L) between the uppermost wiring layer and the lowermost wiring layer. As a result, the wiring resistance and the wiring capacitance can be reduced, the signal propagation speed in the semiconductor integrated circuit device can be improved, and the operation speed can be improved.
[0154]
Fourth, the connection conductors 18C and 19C for connecting the wiring layers made of a Cu-based material are made of a material made of, for example, tungsten, TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN, or the like. . As a result, the conductive film can be satisfactorily embedded in the fine connection holes 8g and 8h, so that the reliability of the electrical connection between the wiring layers can be improved.
[0155]
Fifth, the fourth-layer wiring 13L made of an Al-based material and the third-layer wiring 11L made of a Cu-based material are not directly in contact with each other, but a barrier layer (such as the connecting conductor 20C) is interposed therebetween. Thus, when the Al-based material and the Cu-based material are in direct contact, a phenomenon that an alloy layer having a high specific resistance is formed can be suppressed, and thus the propagation speed of a signal flowing through the wiring can be improved. It becomes possible.
[0156]
Sixth, in the wiring layer located at the portion where the connecting conductor portions 19C and 20C are connected, the wiring layer is at least more planar than the connecting conductor portions 19C and 20C along the longitudinal direction of the wiring. The connecting conductor portion (relay connecting conductor portion) 21C formed long in the above was provided, and the above-described connecting conductor portion 19C and the connecting conductor portion 20C were electrically connected. Thereby, the plane area of the connection groove 5g in which the connection conductor portion 21C is formed can be made relatively large, so that the wiring conductor film can be satisfactorily embedded in the groove. In addition, it is possible to increase a margin for planar alignment in the longitudinal direction of the wiring between the connecting conductor 19C and the connecting conductor 20C. Therefore, it is possible to improve the connection reliability of the upper and lower connection conductors 19C and 20C.
[0157]
Next, each component of the semiconductor integrated circuit device according to the fifth embodiment will be described in detail.
[0158]
The first layer wiring 6L formed by being buried in the wiring grooves 5a and 5b includes a relatively thin conductor film 6L1 at the lower and side portions, and a relatively thick conductor film surrounded by the thin conductor film 6L1. 6L2. The thin conductor film 6L1 is made of a material having a function of improving the adhesion between the first-layer wiring 6L and the interlayer insulating film 4a and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 6L2, for example, tungsten, TiN, It is made of Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN or the like. When the thin conductor film 6L1 is made of tungsten or the like, the wiring resistance can be reduced as compared with the case where the thin conductor film 6L1 is made of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN. Although not particularly limited, in the fifth embodiment, the thin conductor film 6L1 is made of, for example, tungsten.
[0159]
The thick conductor film 6L2 is a member constituting the main body of the first-layer wiring 6L, and is made of a low-resistance material such as Al, an Al alloy, tungsten, or a tungsten alloy. Although not particularly limited, in the fifth embodiment, the thick conductor film 6L2 is made of, for example, tungsten.
[0160]
However, the structure of the first layer wiring 6L is not limited to the structure shown in FIGS. 36 and 37, and can be variously changed. The structure described in the first embodiment with reference to FIGS. May be. That is, a structure in which a cap conductor film is provided on the thick conductor film 6L2 and the thin conductor film 6L1, a cap conductor film is provided on the thick conductor film 6L2, and the upper surface of the cap conductor film almost coincides with the upper surface of the interlayer insulating film 4a. There is a structure in which a wiring is constituted only by the thick conductor film 6L2, and a structure in which a cap conductor film is provided on the upper surface when a wiring is constituted only by the thick conductor film 6L2. The cap conductor film is made of, for example, tungsten, TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN.
[0161]
The first layer wiring 6L of the wiring groove 5a is electrically connected to the semiconductor region 3nd of the nMOS 3n or the semiconductor region 3pd of the pMOS 3p through the connection hole 8a. In the fifth embodiment, a wiring-forming conductor film is integrally embedded in the wiring groove 5a and the connection hole 8a.
[0162]
The method for forming the first layer wiring 6L is the same as, for example, the following method for forming a buried wiring. That is, after the wiring grooves 5a and 5b and the connection holes 8a are formed in the interlayer insulating film 4a by separate photolithography and dry etching techniques, a thin conductor film 6L1 made of, for example, tungsten or the like is deposited by sputtering. On the thin conductive film 6L1, a thick conductive film 6L2 made of, for example, tungsten is formed by a CVD method or the like. As a result, it is possible to satisfactorily embed the conductive film in the fine connection hole 8a. After that, the conductor film other than the wiring grooves 5a and 5b and the connection hole 8a is removed by performing a CMP process to form a first layer wiring 6L having a buried structure.
[0163]
The second layer wiring 9L buried in the wiring grooves 5c and 5d is formed of a relatively thin conductor film 9L1 at the lower and side portions and a relatively thick conductor film surrounded by the thin conductor film 9L1. 9L2. The thin conductor film 9L1 is made of a material having a function of improving adhesion between the second-layer wiring 9L and the interlayer insulating film 4b and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 9L2, for example, tungsten, TiN, It is made of Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN or the like. When the thin conductor film 9L1 is made of tungsten or the like, the wiring resistance can be reduced as compared with the case where the thin conductor film 9L1 is made of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN. Although not particularly limited, in the fifth embodiment, the thin conductor film 9L1 is made of, for example, TiN.
[0164]
The thick conductor film 9L2 is a member constituting the main body of the second-layer wiring 9L, and is made of a low-resistance material such as Cu or a Cu alloy. However, the structure of the second layer wiring 9L is not limited to the structure shown in FIG. 36, and can be variously changed, and may have the structure described in the first embodiment with reference to FIGS. . That is, a structure in which a cap conductor film is provided on the thick conductor film 9L2 and the thin conductor film 9L1, a cap conductor film is provided on the thick conductor film 9L2, and the upper surface of the cap conductor film almost coincides with the upper surface of the interlayer insulating film 4b. There is a structure in which a wiring is constituted only by the thick conductor film 9L2, and a structure in which a cap conductor film is provided on the upper surface when a wiring is constituted only by the thick conductor film 9L2. The cap conductor film is made of, for example, tungsten, TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN.
[0165]
The second layer wiring 9L in the wiring groove 5c is electrically connected to the first layer wiring 6L through the connection hole 8g. The connection hole 8g is formed so that a part of the upper surface of the first layer wiring 6L is exposed from the bottom surface of the wiring groove 5c toward the upper surface of the first layer wiring 6L. For example, a connection conductor 18C made of tungsten, a tungsten alloy, Al, an Al alloy, or the like is provided.
[0166]
The third-layer wiring 11L formed by being buried in the wiring groove 5e has the same structure as the second-layer wiring 9L, and has a relatively thin lower and side conductor film 11L1 and a thinner conductor film 11L1. And a relatively thick conductor film 11L2 surrounded by the film 11L1. The thin conductor film 11L1 is made of a material having a function of improving the adhesion between the third-layer wiring 11L and the interlayer insulating film 4c and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 11L2, such as tungsten, TiN, or the like. It is made of Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN or the like.
[0167]
When the thin conductor film 11L1 is made of tungsten or the like, the wiring resistance can be reduced as compared with the case where it is made of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN, or the like. Although not particularly limited, in the fifth embodiment, the thin conductor film 11L1 is made of, for example, TiN.
[0168]
The thick conductor film 11L2 is a member constituting the main body of the third-layer wiring 11L, and is made of a low-resistance material such as Cu or a Cu alloy. However, the structure of the third layer wiring 11L is not limited to the structure shown in FIG. 36, and can be variously changed, and may have the structure described in the first embodiment with reference to FIGS. . That is, a structure in which a cap conductor film is provided on the thick conductor film 11L2 and the thin conductor film 11L1, a cap conductor film is provided on the thick conductor film 11L2, and the upper surface of the cap conductor film almost coincides with the upper surface of the interlayer insulating film 4b. There is a structure in which a wiring is constituted only by the thick conductor film 11L2, a structure in which a cap conductor film is provided on the upper surface when a wiring is constituted only by the thick conductor film 11L2, and the like. The cap conductor film is made of, for example, tungsten, TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN.
[0169]
The third layer wiring 11L in the wiring groove 5e is electrically connected to the second layer wiring 9L through the connection hole 8h. The connection hole 8h is formed such that a part of the upper surface of the second layer wiring 9L is exposed from the bottom surface of the wiring groove 5e toward the upper surface of the second layer wiring 9L. For example, a connection conductor 19C made of tungsten, a tungsten alloy, Al, an Al alloy, or the like is provided. As shown in FIG. 39 described later, the second layer wiring 9L is provided to extend in, for example, the Y direction, and the pitch between the second layer wirings 9L is designed to have a predetermined value in the X direction. The third layer wiring 11L is provided to extend in, for example, the X direction perpendicular to the Y direction, and the pitch P between the third layer wirings 11L is designed to have a predetermined value in the Y direction.
[0170]
The method for forming the second-layer wiring 9L and the third-layer wiring 11L is the same as, for example, the conventional method for forming a buried wiring. That is, a method of forming the second layer wiring 9L will be described as an example as follows.
[0171]
First, the wiring grooves 5c and 5d and the connection holes 8g are formed in the interlayer insulating film 4b by separate photolithography and dry etching techniques, and then a conductor film made of, for example, tungsten is formed in the connection holes 8g by a selective CVD method or the like. The connection conductor portion 18C is formed by selective growth.
[0172]
Subsequently, a thin conductive film 9L1 made of, for example, TiN or the like is applied by sputtering, and a thick conductive film 9L2 made of, for example, Cu or a Cu alloy is formed on the thin conductive film 9L1 by sputtering, CVD, or the like. It is formed by a plating method or the like. After this step, heat treatment may be performed to satisfactorily fill the wiring trenches 5c and 5d with Cu atoms. This makes it possible to satisfactorily embed the conductor film in the fine connection hole 8g.
[0173]
Thereafter, the semiconductor substrate 1 is subjected to a CMP process to remove the conductor film other than the wiring grooves 5c and 5d, thereby forming a second layer wiring 9L having a buried structure. Heat treatment may be performed on the semiconductor substrate 1 after the formation of the thick conductor film 9L2 or after the CMP process. At this time, the heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere, or an atmosphere combining two or more of them. By performing the heat treatment, the grain growth of Cu of the thick conductor film 9L2 is promoted to improve the EM resistance, and the damage and the oxide film generated on the surfaces of the thin conductor film 6L1 and the thick conductor film 9L2 during the CMP process are eliminated. Since the surface can be made smooth and the surface contamination of the insulating film 4a can be removed and reduced, the reliability of the wiring can be improved.
[0174]
However, the embedded structure of the connection holes 8g and 8h is not limited to the structure shown in FIG. 36 and the like, and can be variously changed. For example, the structure shown in FIG. 38 may be used. That is, in FIG. 38, the connection holes 8g and 8h are filled with the thin conductor films 9L1 and 11L1. The constituent material of the thin conductive film 11L1 in this case is the same as the above-mentioned material, and is made of, for example, tungsten, TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN, or the like. The thick conductor films 9L2 and 11L2 are made of, for example, Cu or Cu alloy.
[0175]
In addition, the connection holes 8g and 8h may be formed of a relatively thin conductor film at the lower and side portions thereof and a relatively thick conductor film surrounded by the thin conductor film. In this case, the thin conductor film is made of, for example, tungsten, TiN, or the like. The thick conductor film is made of, for example, tungsten or the like.
[0176]
On the other hand, in the upper part (third wiring layer) of the interlayer insulating film 4c, the above-described wiring groove 5e and a connection groove 5g having the same depth as the wiring groove 5e are formed. The connection groove 5g is formed simultaneously with the wiring groove 5e.
[0177]
As described above, the connection groove 5g is formed to be long along the longitudinal direction of the wiring. This makes it possible to satisfactorily embed the conductor film in the connection groove 5g. That is, when the conductor film is buried in the wiring groove 5e at the same time when the conductor film is buried also in the connection groove 5g in the same wiring layer, the planar shape and dimensions of the connection groove 5g are changed to those of the lower connection conductor portion 19C. If the upper surface has a planar shape and dimensions, the connection groove 5g is so fine that the conductor film may not be sufficiently buried. In order to avoid such inconvenience, the connection groove 5g is formed so that its planar shape becomes longer along the longitudinal direction of the wiring, thereby preventing the mounting density of the wiring from lowering and preventing the conductive film from being lowered. Can be satisfactorily embedded. Therefore, it is possible to satisfactorily connect the upper and lower wiring layers.
[0178]
As shown in FIG. 36, FIG. 40 and FIG. 41, a connecting conductor 21C is provided in the connecting groove 5g. 39 is a plan view of a main part showing a part of the second-layer wiring 9L to the fourth-layer wiring 13L, FIG. 40 is a cross-sectional view of the main part along line BB in FIG. 39, and FIG. It is principal part sectional drawing along CC line. FIG. 40 is a cross-sectional view of the right-side second-layer wiring 9L to fourth-layer wiring 13L in FIG. 36 cut in a direction perpendicular to the paper surface.
[0179]
The connecting conductor 21C has the same structure as the third-layer wiring 11L, and has a relatively thin lower and side conductor film 21C1 and a relatively thick conductor film 21C2 surrounded by the thin conductor film 21C1. It is composed of That is, the connecting conductor portion 21C is configured by the same wiring W as the third layer wiring 11L. The thin conductor film 21C1 is made of a material having a function of improving adhesion between the connection conductor portion 21C and the interlayer insulating film 4c and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 21C2. It is made of Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN or the like.
[0180]
When the thin conductor film 21C1 is made of tungsten or the like, the wiring resistance can be reduced as compared with the case where the thin conductive film 21C1 is made of TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN, or the like. Although not particularly limited, in the fifth embodiment, the thin conductor film 21C1 is formed of the same material at the same time as the thin conductor film 11L1 of the third-layer wiring 111L, and is made of, for example, TiN.
[0181]
The thick conductor film 21C2 is a member constituting the main body of the connection conductor 21C, and is made of a low-resistance material such as Cu or a Cu alloy. However, the structure of the connecting conductor portion 21C is not limited to the structure shown in FIGS. 36 to 43, and can be variously changed, and the structure described in the first embodiment with reference to FIGS. May be.
[0182]
That is, a structure in which a cap conductor film is provided on the thick conductor film 21C2 and the thin conductor film 21C1, a cap conductor film is provided on the thick conductor film 21C2, and the upper surface of the cap conductor film almost coincides with the upper surface of the interlayer insulating film 4c. There is a structure in which a wiring is constituted only by the thick conductor film 21C2, a structure in which a cap conductor film is provided on the upper surface when a wiring is constituted only by the thick conductor film 21C2, and the like. The cap conductor film is made of, for example, tungsten, TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN. As shown in FIG. 39 and FIG. 42, by configuring the planar shape of the connecting conductor portion 21C such that the longitudinal direction (X direction) of the wiring is larger than the wiring width in the Y direction, the upper and lower connecting conductors are formed. The positioning margin of the portions 19C and 20C can be increased in the X direction. Thereby, the positioning margin of the upper and lower connection conductors 19C and 20C can be increased in the X direction without increasing the wiring pitch P of the third layer wiring 11L in the Y direction, so that the wiring density can be increased. And high integration can be realized. In addition, the wiring length in the longitudinal direction of the wiring is equal to or longer than the wiring width, and by setting the wiring width to about twice or less the wiring width, the alignment margin can be increased without using a dock bone, and the embedding margin can be increased. There is no need to increase the wiring pitch, and high integration can be achieved.
[0183]
Further, as shown in FIG. 43, the planar shape of the connection conductor 21C may be such that it becomes longer in the longitudinal direction of the wiring and in a direction intersecting the wiring direction (the wiring width direction, ie, the Y direction). good. However, also in this case, the configuration is such that the longitudinal direction (X direction) of the wiring is larger than the wiring width in the Y direction. In this case, the alignment margin of the upper and lower connection conductors 19C and 20C can be increased in both the longitudinal direction and the width direction of the wiring. For this reason, since the positioning accuracy at the time of forming the connection hole 8f for embedding the connection conductor portion 20C can be eased, the connection hole 8f can be easily formed. Further, even if the plane position of the connection hole 8f is slightly shifted from the design value, the connection conductor 20C and the connection conductor 21C can be connected well.
[0184]
Further, as shown in FIGS. 44 and 45, the structure described in the first embodiment may be adopted. That is, the connection conductor portion 19C has a structure in which an upper portion protrudes into the connection conductor portion 21C. In this case, it is formed by the same method as described in the first embodiment and the like. That is, after the connection conductor 19C is buried in the connection hole 8h (see FIG. 36) formed in the interlayer insulating film 4c, the connection groove 5g (see FIG. 36) is formed, and then the conductor film is deposited. Then, a CMP process is further performed to form the connection conductor 21C in the connection groove 5g.
[0185]
The fourth layer wiring 13L has a normal wiring structure as in the first embodiment. The fourth layer wiring 13L is electrically connected to the third layer wiring 11L or the connecting conductor 21 through the connecting conductor 20C in the connection hole 8f. The connection conductor 20C is made of, for example, tungsten or a tungsten alloy formed by a selective CVD method.
[0186]
That is, in the fifth embodiment, the fourth-layer wiring 13L made of an Al-based material does not directly contact the third-layer wiring 11L or the connecting conductor 21C made of a Cu-based material, but is made of a tungsten-based material. It is structured to be electrically connected via the connecting conductor 20C. Thus, the structure is such that it is possible to prevent direct contact between Al and Cu and prevent an alloy layer having a high specific resistance from being formed at the contact portion.
[0187]
However, the structure for preventing the formation of such an alloy layer is not limited to the structure shown in FIG. 36, and various changes can be made, and the structures shown in FIGS. 46 to 54 may be used. That is, FIG. 46 shows a structure in which the fourth-layer wiring 13L is constituted by the thin conductor film 13L1 and the thick conductor film 13L2 stacked thereover. The thin conductor film 13L1 is made of a material having a function of improving the adhesion between the fourth-layer wiring 13L and the interlayer insulating film 4d and a barrier function of suppressing diffusion of constituent atoms of the thick conductor film 13L2, for example, tungsten (W). , TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN. The thick conductor film 13L2 is made of, for example, Al or an Al alloy.
[0188]
In the structure of FIG. 47, a connection conductor portion 20C1 made of, for example, tungsten or a tungsten alloy formed by a selective CVD method or the like is provided on an exposed surface of the third layer wiring 11L exposed from the connection hole 8f, and In the connection hole 8f, a connection conductor 20C2 made of, for example, Al or an Al alloy is provided on the connection conductor 20C1. The third-layer wiring 13L is electrically connected to the third-layer wiring 11L through the connecting conductor portion 20C (20C2, 20C1). The third-layer wiring 13L and the connection conductor 20C may be formed simultaneously. That is, in this structure, the contact portion between the fourth-layer wiring 13L and the connecting conductor 20C2 made of an Al-based material and the third-layer wiring 11L made of a Cu-based material is connected to the connecting conductor 20C1 made of tungsten or the like. It has a structure provided. This can prevent an alloy layer having a high specific resistance from being formed at the contact portion. In addition, since the connecting conductor 20C2 that constitutes most of the connecting conductor 20C is made of a low-resistance Al-based material, compared to the structure of FIG. 36 in which all of the connecting conductors are made of tungsten or the like. It is possible to reduce the resistance of all the connecting conductors 20C.
[0189]
In the structure of FIG. 48, a cap conductor film 11L3 is provided above the second layer wiring 11L. The cap conductor film 11L3 is made of, for example, tungsten, TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN or TaSiN. The thick conductor film 13L2 is made of, for example, Al or an Al alloy. In the connection hole 8f, a conductor film made of Al or an Al alloy or the like formed integrally with the fourth layer wiring 13L is embedded. Also in this case, a thin conductor film 11L3 made of tungsten or the like is provided at a contact portion between the fourth layer wiring 13L made of an Al-based material and the third layer wiring 11L made of a Cu-based material. Since the formation of an alloy layer having a high specific resistance can be prevented and the inside of the connection hole 8f is filled with a low-resistance Al-based material, the resistance of the interlayer connection portion can be reduced as compared with the case of FIG. Is possible.
[0190]
In the structure of FIG. 49, the connection hole 8f is buried with a thin conductor film 13L1. The constituent material of the thin conductor film 13L1 in this case is the same as the above-mentioned material, and is made of, for example, tungsten, TiN, Ti, Ta, WN, WSiN, TiSiN, TaN, TaSiN, or the like. The thick conductor film 13L2 is made of, for example, Al or an Al alloy.
[0191]
In the structure of FIG. 50, in the structure of FIG. 49, thick conductor films 13L2a and 13L2b are stacked on a thin conductor film 13L1 in order from the bottom. The lower thick conductive film 13L2a is made of, for example, tungsten or a tungsten alloy, and is formed by, for example, a CVD method or a sputtering method. The upper conductor film 13L2b on the upper layer side is made of, for example, Al or an Al alloy, and is formed by, for example, a CVD method or a sputtering method.
[0192]
In the structure of FIG. 51, a connection conductor portion 14C for connecting the fourth layer wiring 13L, BP made of Al and the third layer wiring 11L made of Cu is made of tungsten (W) formed by, for example, a sputtering method. It comprises a barrier metal (thin conductor film) 14C1 such as TiN and a plug (thick conductor film) 14C2 such as tungsten (W) formed by CVD. With this structure, the contact resistance can be reduced.
[0193]
In this structure, after a barrier metal is deposited by, for example, a sputtering method, tungsten (W) is deposited by, for example, a CVD method so as to be embedded in the connection hole 8f, and thereafter, the barrier metal 14C1 and the plug 14C2 are connected by CMP or etch back. It can be formed only in the hole 8f. Further, the connecting conductor portion 14C may be composed of only the plug 14C2 in which TiN is embedded by, for example, a CVD method.
[0194]
In the structure of FIG. 52, in the structure of FIG. 51, the fourth layer wirings 13L and BP are formed by forming a thick conductor film 13L2 made of an Al-based material and a thin film formed of a refractory metal or a metal compound such as TiN or tungsten (W). And the conductor film 13L1. Thereby, reliability can be further improved.
[0195]
In the structure of FIG. 53, in the structure of FIG. 51, after depositing a barrier metal and tungsten (W) in the connection hole 8f, an Al-based material is deposited without plug processing to form a barrier such as tungsten or TiN. Fourth layer wirings 13L and BP are constituted by metal (thin conductor film) 13L1, thick conductor film 13L2a made of tungsten (W), and thick conductor film 13L2b made of Al. In this manner, by forming a laminated wiring with an Al alloy without plug processing, simplification by eliminating the plug polishing step and improvement in reliability by the laminated structure can be achieved.
[0196]
In the structure of FIG. 54, a thick conductive film 13L2a made of, for example, TiN and a thick conductive film 13L2b made of, for example, TiN are formed without providing the barrier metal (thin conductive film) 13L1 in the structure of FIG. These constitute the fourth layer wiring 13L, BP. For example, since the TiN film 13L2b formed by the CVD method has better adhesion to the interlayer insulating film than the tungsten (W) film, the barrier metal 13L1 does not need to be provided, and the number of manufacturing steps can be reduced. As in the structure shown in FIG. 53, by leaving the plug wiring without using a plug, and forming a laminated wiring with an Al alloy, simplification by eliminating the plug polishing step and improvement in reliability by the laminated structure can be achieved.
[0197]
The structure of the connecting conductor 14C shown in FIG. 51 may be applied to the connecting conductors 10C, 12C, 18C, 19C, and 20C. FIG. 55 shows a structure in which the structure of the connecting conductor 14C shown in FIG. 51 is applied to the connecting conductors 19C and 20C shown in FIGS. The thin conductor films 19C1 and 20C1 have the same configuration as the barrier metal 14C1, and the thick conductor films 19C2 and 20C2 have the same configuration as the plug 14C2.
[0198]
FIG. 56 shows a structure in which the third layer wirings 11L and 21C shown in FIG. 55 are formed by dual damascene. In this structure, after connecting holes 5g and 8h are formed, a barrier metal is deposited by a sputtering method, and then, for example, Cu is thinly formed by a sputtering method, for example, and then the connecting holes 5g and 8h are further formed by an electrolytic plating method. It is formed so as to be embedded in. After that, the third layer wirings 11L and 21C composed of the thin conductor film 21C1 made of the barrier metal and the thick conductor film 21C2 made of Cu are formed by the CMP method or the like. By forming the third layer wiring 21C to be longer than the connection hole 8h in a plane at least along the longitudinal direction of the wiring, the effective aspect ratio when the connection holes 5g and 8h are simultaneously buried with, for example, Cu is reduced. For example, Cu can be easily embedded.
[0199]
FIGS. 57 and 58 show modifications in which the connecting conductor 21C shown in FIGS. 39 to 41 is shifted in the longitudinal direction (X direction). FIG. 57 is a plan view of a main part showing a part of the second-layer wiring 9L to the fourth-layer wiring 13L, and FIG. 58 is a cross-sectional view of the main part along line CC in FIG. 57. Thereby, even if the second layer wiring 9L is formed at the position of the pitch P1 of the adjacent second layer wiring 9L, the connecting conductor portion 21C can be provided.
[0200]
FIG. 59 shows a modification in which the connecting conductor 21C shown in FIGS. 39 to 41 is thickened only in a place where the connection hole 8f is arranged, in a direction perpendicular to the longitudinal direction (X direction) so as not to change the pitch p. Here is an example. The connection conductor 21C shown in FIG. 59 may be applied to the connection conductor 21C shown in FIGS. 57 and 58.
[0201]
(Embodiment 6)
FIG. 60 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 61 and 62 are cross-sectional views of the main part during a manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device of FIG.
[0202]
First, the structure of the semiconductor integrated circuit device according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG. The first layer wiring 6L is made of a conductive material other than copper (Cu) such as, for example, tungsten (W), and the second layer wiring 9L and the third layer wiring 11L are made of Cu as in the fifth embodiment. It is composed of a system conductive material.
[0203]
The first layer wiring 6L is used as a wiring for connecting the inside of a logic circuit constituted by, for example, a MIS • FET or a wiring for connecting between logic circuits, and is relatively compared with the second layer wiring 9L and the third layer wiring 11L. It is configured with a short wiring length.
[0204]
The second layer wiring 9L and the third layer wiring 11L are used, for example, for wiring connecting logic circuits, and are configured so that one extends in the X direction and the other extends in the Y direction.
[0205]
By forming the first layer wiring 6L with a W film, the first layer wiring 6L can be formed in a fine pattern, high integration can be achieved, and EM resistance can be increased.
[0206]
Further, since a Cu-based conductive material is not used for the first layer wiring 6L, diffusion of Cu into the semiconductor substrate 1 can be reduced, and reliability can be improved.
[0207]
When the second-layer wiring 9L and the third-layer wiring 11L are made of a Cu-based conductive material, the specific resistance of the wiring is reduced, and high-speed operation becomes possible.
[0208]
Each of the connection conductors 7C, 18C, 19C, 20C, and 21C has a barrier metal (thin conductor film) 14C1 made of W or the like formed by sputtering, for example, similarly to the connection conductor 14C shown in FIG. (Thick conductor film) 14C2 made of the same.
[0209]
The fourth layer wiring 13L and the fifth layer wiring 102 are made of, for example, an aluminum (Al) -based conductive material.
[0210]
The fourth-layer wiring 13L has a laminated structure in which barrier metals (thin conductor films) 13L1 and 13L3 such as W and TiN sandwich a thick conductor film 13L2 made of Al or an Al alloy.
[0211]
Electrically connecting the fourth-layer wiring 13L made of an Al-based conductive material and the third-layer wiring 11L made of a Cu-based conductive material via a connecting conductor portion 20C made of W. Thereby, it is possible to prevent the formation of an alloy layer having a high specific resistance at the contact portion by Al and Cu. The fourth-layer wiring 13L may have a wiring structure shown in FIGS.
[0212]
The fifth-layer wiring 102 is electrically connected to the fourth-layer wiring 13L without passing through the connecting conductor, but is not limited thereto, and may be connected between the fourth-layer wiring 13L and the third-layer wiring 11L. Similarly, the fifth-layer wiring 102 and the fourth-layer wiring 13L may be electrically connected via a connecting conductor having the same structure as the connecting conductor 20C.
[0213]
Further, the fifth layer wiring 102 may have a laminated structure similarly to the fourth layer wiring 13L.
[0214]
An insulating film 104 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the fifth layer wiring 102, and a lower electrode 106 is formed in an opening formed in the insulating film 104. The fifth layer wiring 102 is electrically connected to a bump electrode 108 made of a solder bump via a lower electrode 106, and the lower electrode 106 is made of, for example, a barrier metal.
[0215]
Hereinafter, a method of forming the first layer wiring 6L and the connecting conductor 7C will be briefly described with reference to FIGS.
[0216]
After forming a connection hole 8a in the interlayer insulating film 4a as in FIG. 8, a thin conductor film 7C1 made of W or the like is deposited by a sputtering method or the like as shown in FIG. Is deposited so as to be embedded in the connection hole 8a.
[0217]
Next, as shown in FIG. 62, the deposited film is polished by, for example, a CMP method to bury a thin conductive film 7C1 made of W or the like and a thick conductive film 7C2 made of W or the like in the connection hole 8a.
[0218]
For example, after a W film is deposited by a PVD (Physical Vapor Deposition) method, the first layer wiring 6L is formed by patterning by etching. Here, the first-layer wiring 6L is formed of a W film formed by the PVD method, but various modifications such as a laminated structure in which a W film formed by the CVD method or the like is formed on the W film formed by the PVD method are possible.
[0219]
Next, after depositing a silicon oxide film by, for example, a CVD method, the silicon oxide film is polished by a CMP method to form an interlayer insulating film 4b having a planarized surface.
[0220]
Subsequent steps are formed in the same manner as in the first to fifth embodiments described above.
[0221]
Although the semiconductor integrated circuit device of the sixth embodiment uses the bump electrode 108, as shown in FIG. 63, even if the bonding wire 110 is electrically connected to the bonding pad formed by the fifth layer wiring 102. good.
[0222]
Although the semiconductor integrated circuit device according to the sixth embodiment is composed of five wiring layers, it is composed of seven wiring layers, and the second to fifth wiring layers are made of a Cu-based conductive material. And the sixth to seventh layer wirings may be made of an Al-based conductive material. In this case, the second layer wiring and the fourth layer wiring are configured to extend in the same direction, and the third layer wiring and the fifth layer wiring are configured to extend in the same direction. Used as wiring to connect between. Further, in the sixth embodiment, at least the connection conductor is provided along the longitudinal direction of the wiring at least in the third wiring layer located at the portion where the connection conductor portion 19C and the connection conductor portion 20C are connected. Although the connecting conductor 21C is formed longer than the portions 19C and 20C in a plane, a structure corresponding to the connecting conductor 21C may be provided in the second, third, fourth, and fifth layers.
[0223]
FIG. 64 shows a planar layout of the semiconductor integrated circuit device shown in the first to sixth embodiments. The gate arrays 200 are repeatedly arranged, and each of the gate arrays 200 is arranged in combination with integrated circuit elements such as MIS-FETs, bipolar transistors, and resistors.
[0224]
By changing the wiring patterns of the first layer wiring to the fifth layer wiring, various logic circuits are formed, and a semiconductor integrated circuit device having a predetermined logic is formed.
[0225]
FIG. 65 shows a semiconductor integrated circuit device having a gate array 200 and a RAM 400 as a memory.
[0226]
Further, as shown in FIG. 66, units 400, 500, 600, and 700 having various functions may be freely arranged according to the performance of the LSI.
[0227]
As described above, according to the fifth and sixth embodiments, in addition to the effects (8) to (10) obtained in the first embodiment, the following effects can be obtained.
[0228]
(1). A conductive film is filled in the fine connection holes 8a to 8f by using a CVD method or the like, and then the conductive film is filled in the wiring grooves 5a to 5f having a larger plane dimension than the connection holes 8a to 8f, thereby embedding the structure. Of the first layer wiring 6L, the second layer wiring 9L and the third layer wiring 11L, the conductive film is satisfactorily embedded in both the wiring grooves 5a to 5f and the finer connection holes 8a to 8f. It becomes possible. When the conductive films are simultaneously filled into the fine connection holes 8a to 8f and the wiring grooves 5a to 5f located thereon by using the CVD method or the plating method, the wiring grooves 5a to 5f are formed. By making the plane dimensions larger than the connection holes 8a to 8f, it becomes possible to satisfactorily embed the conductor film.
[0229]
(2). According to the above (1), it is possible to improve the reliability of the connection between the wiring layers. Therefore, the yield and reliability of the semiconductor integrated circuit device can be improved.
[0230]
(3). According to the above (1), miniaturization of the embedded wiring can be promoted. Therefore, miniaturization or high integration of the semiconductor integrated circuit device can be promoted.
[0231]
(4). According to the above (1), the conductor film can be satisfactorily embedded in the wiring grooves 5a to 5f and the connection holes 8a to 8f without employing a difficult technique.
[0232]
(5). According to the above (1), even when Cu or a Cu alloy or the like is used as the embedded wiring material, the embedded state can be improved.
[0233]
(6). The first layer wiring 6L that is in direct contact with the semiconductor substrate 1 is made of a tungsten-based conductor material, so that the state of embedding the conductor film in the connection hole 8a is maintained well while Cu atoms are introduced into the semiconductor substrate 1 side. It is possible to avoid element failure due to the diffusion phenomenon. Further, by forming the first layer wiring 6L with a tungsten-based conductor material, it is possible to reduce wiring resistance and improve electromigration (hereinafter also referred to as EM) resistance.
[0234]
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention. Needless to say.
[0235]
For example, a silicide layer such as tungsten silicide or titanium silicide may be provided at a contact portion of the semiconductor substrate with the connection conductor.
[0236]
The number of wiring layers is not limited to four to seven, but may be variously changed, and may be three or four or more.
[0237]
【The invention's effect】
The effects obtained by typical aspects of the invention disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0238]
(1). According to the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, after the connection hole is sufficiently filled with the conductor film, the wiring groove is formed and is filled with the conductor film. In addition, it is possible to satisfactorily embed the conductor film in both of the finer connection holes.
[0239]
(2). According to the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, when the same wiring layer has wiring grooves or the like having different dimensions, the wiring grooves and the like are buried with fine wiring grooves and the like and larger wiring grooves and the like. By embedding the conductor film by selecting a method that is easy to perform, it becomes possible to satisfactorily embed the conductor film in both the wiring grooves.
[0240]
(3). According to the above (1) or (2), it is possible to improve the reliability of connection between wiring layers. Therefore, the yield and reliability of the semiconductor integrated circuit device can be improved.
[0241]
(4). According to the above (1) or (2), miniaturization of the embedded wiring can be promoted. Therefore, miniaturization or high integration of the semiconductor integrated circuit device can be promoted.
[0242]
(5). According to the above (1) or (2), the conductor film can be satisfactorily embedded in the wiring groove and the connection hole without employing a difficult technique. Therefore, it is possible to promote the cost reduction of the semiconductor integrated circuit device having the embedded wiring.
[0243]
(6). According to the above (1) or (2), even when Cu or a Cu alloy or the like is used as the buried wiring material, the buried state can be improved.
[0244]
(7). According to the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, a Cu-based conductive material formed by a sputtering method or the like on an insulating film including a wiring groove is flattened to thereby form a Cu-based material in a region other than the wiring groove and the like. After removing the conductive material to form the buried wiring, heat treatment is performed to promote Cu grain growth to improve EM resistance, and to damage caused on the surface of the Cu-based conductive film during the planarization process. To improve the reliability of buried wiring made of Cu-based conductor material because it can eliminate the oxide film and the like, smooth the surface, and remove and reduce the contamination of the insulating film surface exposed during CMP. Becomes possible.
[0245]
(8). According to the semiconductor integrated circuit device of the present invention, there is provided a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring in an upper wiring layer of a semiconductor substrate, wherein a wiring material at a portion where the buried wiring and the semiconductor substrate are in contact is made of tungsten. , A tungsten alloy, aluminum or an aluminum alloy, and a buried wiring in a wiring layer thereover made of copper or a copper alloy. To prevent the device from being diffused to the semiconductor substrate side to avoid element failure caused by the diffusion phenomenon, and to improve the signal propagation speed by reducing the overall wiring resistance of the semiconductor integrated circuit device. It becomes.
[0246]
(9). According to the semiconductor integrated circuit device of the present invention, there is provided a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring in a wiring layer above a semiconductor substrate, wherein a wiring material of an uppermost wiring layer of the wiring layers is aluminum or an aluminum alloy. And the embedded wiring in the lower wiring layer is made of copper or a copper alloy, so that the assembling techniques such as the conventional wire bonding technique and the bump electrode forming technique can be directly followed. Therefore, a semiconductor integrated circuit device having an embedded wiring made of a copper-based conductor material can be easily introduced into an assembling process.
[0247]
(10). According to the semiconductor integrated circuit device of the present invention, there is provided a semiconductor integrated circuit device having a buried wiring in an upper wiring layer of a semiconductor substrate, wherein a wiring made of aluminum or an aluminum alloy and a wiring made of copper or a copper alloy are In the case of connection, a plug is interposed as a barrier conductor film at the joint thereof, so that when the aluminum-based conductor material and the copper-based conductor material are directly contacted, the contact portion has a high specific resistance. Since the formation of the alloy layer can be prevented, the connection resistance between the wiring layers can be reduced.
[0248]
(11). According to the above (8) to (10), the embedded wiring made of a copper-based conductor material can be incorporated into the entire structure of the semiconductor integrated circuit device without causing any trouble.
[0249]
(12). Further, according to the semiconductor integrated circuit device of the present invention, at least a length of the relay connection conductor in the wiring extending direction of the predetermined embedded wiring is equal to a length of the connection hole in the wiring extending direction. By being formed to be longer than the length, the connection groove for forming the relay connection conductor can be made relatively large, so that the conductor film can be satisfactorily embedded in the connection groove. . Therefore, the reliability of the electrical connection between the upper and lower wiring layers can be improved, and the yield and reliability of the semiconductor integrated circuit device can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a semiconductor integrated circuit device according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a cross-sectional view of a principal part showing a first layer wiring of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1;
FIG. 3 is a sectional view showing a modification of the wiring structure of FIG. 2;
FIG. 4 is a sectional view showing a modification of the wiring structure of FIG. 2;
FIG. 5 is a sectional view showing a modification of the wiring structure of FIG. 2;
6 is a fragmentary cross-sectional view showing a second-layer wiring of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1;
FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part of the semiconductor integrated circuit device, showing a modification of connection between wiring layers of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1;
8 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1 during a manufacturing step thereof;
9 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1 during a manufacturing step thereof;
10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1 during a manufacturing step thereof;
11 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1 during a manufacturing step thereof;
12 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1 during a manufacturing step thereof;
13 is a partially cutaway perspective view of a main part during a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1;
14 is a partially cutaway perspective view of a main part during a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1;
15 is a partially cutaway perspective view of a main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1 during a manufacturing step thereof;
16 is a partially cutaway perspective view of a main part during a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1;
FIG. 17 is a partially cutaway perspective view of a main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1 during a manufacturing step thereof;
18 is a partially cutaway perspective view of a main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1 during a manufacturing step thereof;
FIG. 19 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention during a manufacturing step thereof;
20 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device during a manufacturing step following that of FIG. 19;
21 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device during a manufacturing step following that of FIG. 19;
FIG. 22 is an essential part cross sectional view of the semiconductor integrated circuit device during a manufacturing step following FIG. 19;
23 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device during a manufacturing step following that of FIG. 19;
FIG. 24 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention;
FIG. 25 is an essential part cross sectional view of the semiconductor integrated circuit device of another embodiment of the present invention during a manufacturing step;
26 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device during a manufacturing step following that of FIG. 25;
27 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device during a manufacturing step following that of FIG. 25;
FIG. 28 is an essential part cross sectional view of the semiconductor integrated circuit device during a manufacturing step following FIG. 25;
FIG. 29 is an essential part cross sectional view of the semiconductor integrated circuit device of another embodiment of the present invention during a manufacturing step;
30 is an essential part cross sectional view of the semiconductor integrated circuit device during a manufacturing step following FIG. 29;
FIG. 31 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device during a manufacturing step following that of FIG. 29;
32 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device during a manufacturing step following that of FIG. 29;
FIG. 33 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention;
FIG. 34 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention;
FIG. 35 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention;
FIG. 36 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention;
FIG. 37 is an enlarged sectional view of a main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 36;
38 is an enlarged fragmentary cross-sectional view showing a modification of the main part of the semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 37.
39 is a fragmentary plan view of the semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 37;
40 is an enlarged sectional view of a principal part of the semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 39.
41 is an enlarged sectional view of a principal part of the semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 39.
FIG. 42 is an explanatory view schematically showing a main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 39;
FIG. 43 is an explanatory diagram schematically showing a modified example of FIG. 42;
FIG. 44 is an explanatory diagram schematically showing a modified example of FIG. 42.
FIG. 45 is an explanatory diagram schematically showing a modified example of FIG. 42;
FIG. 46 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a modification of the main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 36;
FIG. 47 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a modification of the main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 36;
FIG. 48 is an enlarged fragmentary cross-sectional view showing a modification of the main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 36;
FIG. 49 is an essential part enlarged cross-sectional view showing a modification of the essential part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 36;
FIG. 50 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a modification of the main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 36;
51 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a modification of the main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 36;
52 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a modification of the main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 36;
FIG. 53 is an enlarged fragmentary cross-sectional view showing a modification of the main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 36;
FIG. 54 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a modification of the main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 36;
FIG. 55 is a cross-sectional view showing a modification of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 41.
FIG. 56 is a sectional view showing a modification of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 41;
FIG. 57 is a sectional view showing a modification of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 39;
FIG. 58 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 57;
FIG. 59 is a plan view showing a modification of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 39.
FIG. 60 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention;
61 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 60 during a manufacturing step thereof;
62 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 60 during a manufacturing step thereof;
63 is a fragmentary cross-sectional view showing a modification of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 60;
FIG. 64 is a plan view showing a layout of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 65 is a plan view showing a layout of a modification of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 64;
FIG. 66 is a plan view showing a layout of a modification of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 64;
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate
2 Element separation unit
2a Separation groove
2b Separation insulating film
3n n-channel type MOS-FET
3nd semiconductor region
3ni gate insulating film
3ng gate electrode
3p p channel type MOS ・ FET
3pd semiconductor area
3pi gate insulating film
3pg gate electrode
4a-4d interlayer insulating film
5a-5f Wiring groove
5g connection groove
6L 1st layer wiring
6L1 Thin conductive film
6L2 thick conductor film
7C Connection conductor
7C1 Thin conductive film
7C2 Thick conductor film
8a to 8f Connection hole
9L Second layer wiring
9L1 Thin conductive film
9L2 thick conductor film
10C Connection conductor
10C1 Thin conductive film
10C2 Thick conductor film
11L Third layer wiring
11L1 Thin conductive film
11L2 Thick conductor film
12C Connection conductor
12C1 Thin conductive film
12C2 Thick conductor film
13L 4th layer wiring
13L1 Thin conductive film
13L2 thick conductor film
14C connection conductor
14C1 Thin conductive film
14C2 thick conductor film
15 Surface protective film
15a Protective film
15b protective film
16 opening
17a-17c Photoresist pattern
18C connection conductor
19C Connecting conductor
19C1 Thin conductive film
19C2 Thick conductor film
20C Connecting conductor
20C1 Thin conductive film
20C2 Thick conductor film
21C Connection conductor (connection conductor for relay)
21C1 Thin conductive film
21C2 Thick conductor film
102 5th layer wiring
108 Bump electrode
110 Bonding wire
200 gate array

Claims (3)

半導体基板の上部における配線層において、銅系の導電材料で構成された銅埋込配線と前記半導体基板とを接続するプラグ部分の配線材料を、バリア機能を持つTiN膜と前記TiN膜内に形成されたタングステン、タングステン合金からなる前記TiN膜より厚い導体膜で構成し、前記銅埋込配線の上部の最上層配線をアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成し、前記最上層のアルミニウム配線層と前記銅埋込配線を接続するプラグはバリア機能を有するTiNまたはTi膜と、前記TiNまたはTi膜内に形成されたタングステンとで構成されることを特徴とする半導体集積回路装置。In a wiring layer above the semiconductor substrate, a wiring material of a plug portion connecting the embedded copper wiring made of a copper-based conductive material and the semiconductor substrate is formed in the TiN film having a barrier function and the TiN film. The uppermost wiring above the copper buried wiring is made of aluminum or an aluminum alloy, and the uppermost aluminum wiring layer and the copper burying are formed. A semiconductor integrated circuit device, wherein a plug for connecting the built-in wiring is formed of a TiN or Ti film having a barrier function and tungsten formed in the TiN or Ti film. 半導体基板の上部に複数の配線層を有する半導体集積回路装置であって、最上の配線層の配線材料をアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成し、前記最上の配線層と最下の配線層の間の配線層のうちの少なくとも1つの配線層を銅または銅合金で構成し、前記最上の配線層と前記銅または銅合金から成る配線を接続する第1プラグおよび前記半導体基板と接触する第2プラグと一体的に形成された前記最下の配線バリア機能を有するTiNまたはTi膜と、前記TiNまたはTi膜内に形成されたタングステンとで構成されることを特徴とする半導体集積回路装置。A semiconductor integrated circuit device having a plurality of wiring layers over a semiconductor substrate, a wiring material of the uppermost upper wiring layer formed of aluminum or an aluminum alloy, between the uppermost wiring layer and the lowermost wiring layer at least one wiring layer among the wiring layers are made of copper or a copper alloy, to come in contact with the first plug and before Symbol semiconductors board for connecting the wiring layer made of the copper or copper alloy and the uppermost wiring layer Wherein the lowermost wiring layer integrally formed with the second plug includes a TiN or Ti film having a barrier function and tungsten formed in the TiN or Ti film. Semiconductor integrated circuit device. 半導体基板の上部に配線層を有する半導体集積回路装置において、
銅系の材料で構成される第1配線層と、
前記第1配線層よりも上層に形成され、かつ、アルミニウム系の材料で構成される第2配線層と、
前記第1配線層よりも下層に形成され、かつ、銅系の材料以外の導電材料で構成される第3配線層とを有し、前記第1配線層と前記第2配線層とはタングステン系の導電材料で構成され前記第1配線層と第2配線層の間の層間絶縁膜に形成された接続孔内に埋込まれて形成されたバリア導体膜を介して電気的に接続され、前記第2配線層は、ボンディングワイヤまたはバンプ電極に電気的に接続され、前記第3配線層はタングステン系の導電材料で構成され前記半導体基板に接続されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
In a semiconductor integrated circuit device having a wiring layer on a semiconductor substrate,
A first wiring layer made of a copper-based material;
A second wiring layer formed above the first wiring layer and made of an aluminum-based material;
A third wiring layer formed below the first wiring layer and made of a conductive material other than a copper-based material, wherein the first wiring layer and the second wiring layer are tungsten-based And electrically connected via a barrier conductor film formed by being embedded in a connection hole formed in an interlayer insulating film between the first wiring layer and the second wiring layer, A semiconductor integrated circuit device, wherein the second wiring layer is electrically connected to a bonding wire or a bump electrode, and the third wiring layer is made of a tungsten-based conductive material and is connected to the semiconductor substrate.
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