JP5031953B2 - Copper material filled plug and method for producing copper material filled plug - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅材料充填プラグ及び銅材料充填プラグの製造方法に関し、特に、半導体装置の配線層に用いられる銅材料充填プラグとその製造方法の改善に関する。
【0002】
【従来の技術】
LSIの製造において銅配線を用いる場合、その下地膜となるシリコン酸化膜等の絶縁膜中に銅が拡散することを防止するため、シリコン酸化膜と銅配線との間にバリアメタルを形成している。
【0003】
バリアメタルの材料として、主にPVD窒化タンタル(TaN)が採用されている。これはタンタルが銅と合金を形成しないことから、従来アルミ配線で用いられてきたPVD窒化チタン(TiN)よりも銅拡散に対するバリア性が高いためである。しかし、TaNはTiN(≦100μΩ・cm)に比べて比抵抗が2倍以上高く(≧200μΩ・cm)、特に、ビア接合部にバリアメタルとして形成するときに、膜厚を厚くすると、ビア抵抗が過度に高くなってしまう。
【0004】
また、TaN薄膜は内部応力が大きいので、成膜装置内にTaN薄膜が堆積してしまうと、その薄膜が細かく剥離してダストが生じやすくなる。
【0005】
さらに、TaN薄膜はCVD法によって成膜されたCu薄膜(以下CVD−Cu薄膜と称する。)との密着性が悪く、TaN薄膜を下地膜としてCVD−Cu薄膜を成長させたり、TaN薄膜上に成膜されたCVD−Cu薄膜をシード層として銅メッキ膜を成長させると、CVD−Cu薄膜がTaN薄膜との界面から容易に剥離してしまい、CVD−Cu薄膜を銅配線として実用化する際の最大の障害となっていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の要求に応じるために創作されたものであり、その目的は、Cu薄膜を配線として用いる場合に、比抵抗が小さく、CVD−Cu薄膜との密着性が高く、かつ内部応力が小さいバリアメタルを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、銅材料充填プラグであって、絶縁膜と、前記絶縁膜に設けられた孔と、少なくとも、前記孔内部の前記絶縁膜の表面に配置された酸窒化バナジウム薄膜と、前記酸窒化バナジウム薄膜が配置された前記孔内部に充填された銅材料とを有する。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の銅材料充填プラグであって、前記銅材料はCVD法で形成されたことを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項1記載の銅材料充填プラグであって、前記銅材料は、前記酸窒化バナジウム薄膜表面にCVD法により形成された銅薄膜と、前記銅薄膜の表面に形成された充填用銅材料とで構成されている。
請求項4記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項記載の銅材料充填プラグであって、前記酸窒化バナジウム薄膜は、組成中に元素比として酸素を最大25%含有する。
請求項5記載の発明は、銅材料充填プラグの製造方法であって、基板上に孔が設けられた絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の孔の中に、酸窒化バナジウム薄膜を形成する工程と、前記酸窒化バナジウム薄膜の表面に、CVD法で銅材料を成長させる工程とを有する。
請求項6記載の発明は、請求項5記載の銅材料充填プラグの製造方法であって、前記酸窒化バナジウム薄膜は、反応性スパッタ又はCVD法により形成されている。
請求項7記載の発明は、請求項5又は6のいずれか1項記載の銅材料充填プラグの製造方法であって、前記銅材料は、前記孔内部に充填されている。
【0008】
本発明によれば、基板表面に形成された絶縁膜と、絶縁膜に形成された孔と、孔内部の絶縁膜の表面に配置された酸窒化バナジウム薄膜と、孔内部に充填された銅材料とを有している。
【0009】
このように、酸窒化バナジウム薄膜がバリアメタルとして孔内部に配置されている。この酸窒化バナジウム薄膜を下地膜としてCVD−Cu薄膜を成膜すると、酸窒化バナジウム薄膜はCVD−Cu薄膜との密着性が高いので、TaN薄膜を下地膜として用いた従来に比して、CVD−Cu薄膜が剥離しにくくなる。
【0010】
また、酸窒化バナジウム薄膜は、TaN薄膜よりも比抵抗が小さいので、ビア内部に厚く形成しても、ビア抵抗が高くならない。
【0011】
さらに、酸窒化バナジウム薄膜は内部応力が小さいので、製造装置内部に薄膜が堆積しても、その薄膜が細かく剥離することはない。従って、堆積した薄膜が細かく剥離することで発生するダストの原因となることもない。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の一実施形態に係る銅充填プラグの製造方法について説明する。
最初に銅充填プラグの製造方法に用いられるスパッタリング装置とCVD装置について説明する。図1と図2の符号1と5に、本実施形態で用いられるスパッタリング装置とCVD装置とをそれぞれ示す。
【0013】
図1に示すスパッタリング装置1は、真空槽2を有している。この真空槽2にはガス導入系27と真空排気系28とが接続されており、ガス導入系27を起動すると、スパッタガスであるArガスと、反応ガスであるN2ガス及びO2ガスとを真空槽2内に導入でき、他方、真空排気系28を起動すると真空槽2の内部を真空排気することができるように構成されている。
【0014】
真空槽2の内部天井側には、金属からなるターゲット3が配設されている。このターゲット3はバナジウムで構成されている。このターゲット3は、接地された真空槽2と絶縁され、真空槽2の外部に設けられた電源4に接続されており、電源4を起動するとターゲット3に直流電圧が印加され、電力が供給されるように構成されている。
【0015】
他方、真空槽2の内部底面側には、静電吸着装置21が配置されている。
この静電吸着装置21の表面は平坦にされ、基板が載置できるようになっている。また静電吸着装置21の内部には電極が配置され、その電極には、真空槽外部に配置された静電チャック電源22が接続されており、基板を載置した状態で静電チャック電源22を起動すると、基板を静電吸着できるように構成されている。
【0016】
次に、本実施形態で用いられるCVD装置について説明する。このCVD装置は、図2の符号5に示すように、真空槽6と、真空槽6の内部底面に配置された静電吸着装置31と、真空槽6外部に配置された静電チャック電源32とを備えている。
【0017】
真空槽6の内部天井側には、メッシュプレート9が配置されている。このメッシュプレート9は、真空槽6外部に配置されたガス導入系7に接続されており、ガス導入系7を起動すると、メッシュプレート9を通して真空槽6内部にガスを導入することができるように構成されている。真空槽6には、真空排気系8が接続されており、真空排気系8を起動すると真空槽6内部を真空排気できるように構成されている。
【0018】
静電吸着装置31は、その表面が平坦にされ、基板が載置できるようになっている。また静電吸着装置31の内部には電極が配置され、その電極には、真空槽外部に配置された静電チャック電源32が接続されており、基板を載置した状態で静電チャック電源32を起動すると、基板を静電吸着できるように構成されている。さらに静電吸着装置31の内部には図示しないヒータが配置され、基板を静電吸着した状態でヒータを起動すると基板を昇温させられるように構成されている。
【0019】
上述の装置を用いて、例えばシリコン等からなる基板の表面に形成された絶縁膜に孔が形成され、孔内部に銅材料が充填されて成る銅充填プラグの製造方法について説明する。
【0020】
まず、図3(a)に示すように、予め基板51の表面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜52を成膜した後、パターニングして絶縁膜52に孔53を形成し、孔53の底面に基板51の表面を露出させる。ここでは深さ1.6μm、開口径0.3μmの円形の孔を形成している。
【0021】
次に、スパッタリング装置1の真空槽2の内部を真空排気しておき、真空槽2内部の真空状態を維持しながら、図3(a)に示す基板51を真空槽2内に搬入し、静電吸着装置21上に載置する。
【0022】
次に、静電チャック電源22を起動して電極に電圧を印加すると、基板51の裏面全面が静電吸着装置21の表面に吸着される。吸着されたら、スパッタガスとしてArガスを、反応ガスとしてN2とO2ガスの混合ガスを、それぞれガス導入系27から導入する。ガス導入系27で、Arガスと、N2ガスと、O2ガスの流量をそれぞれ調整し、O2ガスが真空槽2内部で、全圧に対し7000ppmになるようにしながら、電源4を起動してターゲット3に電力を供給する。すると放電が生じ、ターゲット3がスパッタリングされる。スパッタリングされたターゲット3の構成材料であるバナジウムはN2ガスやO2ガスと反応し、基板表面へと到達し、孔53内部で露出する絶縁膜52の表面と、孔53の外部の絶縁膜52の表面とに、それぞれ酸窒化バナジウム(VNO)薄膜が成長する。ここでO2ガスの分圧を調整することでVNO薄膜中に含有されるO原子密度を制御することができる。ちなみにO2ガス分圧が0ならばVN薄膜が形成される。
【0023】
なお、放電により基板温度は上昇するが、静電吸着装置21の内部には図示しない冷却装置が配置され、基板を冷却することができるようになっており、基板の温度は過度には上昇しないようになっている。
【0024】
酸窒化バナジウム薄膜が成長し、その膜厚が目標とする厚さになったら電源4を停止させてプラズマを消滅させ、成長を終了させる。ここでは、VNO薄膜が70nm成長したら、成長を終了させている。以上の工程を経て、孔53の内部で露出する絶縁膜52と、孔53の外部の絶縁膜52の表面とに、VNO薄膜が形成される。その状態を図3(b)に示す。図中の符号55は、孔53の内部に形成されたVNO薄膜を示しており、符号54は、孔53の外部の絶縁膜52の表面に形成されたVNO薄膜を示している。
【0025】
以上は反応性スパッタにて成膜した場合を説明したが、もちろん熱CVD法やプラズマCVD法を用いて成膜することも可能である。
その際の原料ガスは無機系ではVCl4、有機系では、ビス(シクロペンタジエニル)バナジウム(II)、ビス(シクロペンタジエニル)メチルバナジウム(III)、2,4−ペンタンジオネートバナジウム(III)、オキシドビス(2,4−ペンタンジオネート)バナジウム(III)、トリス(2,4−ペンタンジオナト)バナジウム(III)を適宜選択、組合せ、NH3ガスと反応させることで成膜できる。必要によってはO2ガスを添加し、またプラズマ等を用いて、分解をアシストしてもよい。
【0026】
こうしてVNO薄膜54、55が形成されたら、真空槽2内部の真空状態を維持しながら、真空槽2から基板51を取り出す。
【0027】
その後、VNO薄膜54、55が形成された基板を、CVD装置6内部で処理する。予めCVD装置6内部は真空排気されており、内部の真空状態を維持しながら、取り出された基板51を、CVD装置の真空槽7の内部に搬入し、静電吸着装置31の表面に載置する。
【0028】
次いで、静電チャック電源32を起動して電極に電圧を印加すると、基板51と電極との間に吸着力が発生し、基板51の裏面全面が静電吸着装置31の表面に吸着される。
【0029】
基板51が静電吸着装置31の表面に吸着されたら、ヒータを起動して基板51を昇温させる。基板51が成膜に適した温度に達したら、CVD−Cu用原料ガスとキャリア用H2ガスの混合ガスを反応ガスとして真空槽7の内部に導入する。
【0030】
ここでCVD−Cu用原料ガスは、既知の銅含有前駆物質を含むガス、例えば、ビス(ヘキサフルオロアセチルアセトナト)銅(II)、ヘキサフルオロアセチルアセトナト銅(I)トリメチルビニルシラン、ヘキサフルオロアセチルアセトナト銅(I)ビストリメチルシリルアセチレン、ヘキサフルオロアセチルアセトナト銅(I)1,5−シクロオクタジエン、ヘキサフルオロアセチルアセトナト銅(I)2−ブチン、ヘキサフルオロアセチルアセトナト銅(I)トリエチルフォスフィン、Cu(I)t−ブトキシド、Cu(I)t−ブトキシドカルボニルのうちいずれか一つの前駆物質を含むガスであることが好ましい。
【0031】
かかる反応ガスを真空槽7の内部に導入すると、孔53の内部と外部のVNO薄膜54、55の表面に、銅薄膜が成長し始める。
【0032】
VNO薄膜54、55の表面に成長した銅薄膜が予め目標とする膜厚に達したら、反応ガスの導入を停止し、銅薄膜の成長を終了させる。ここでは50nmの厚みまで成長したら成長を終了させている。その状態を図3(c)に示す。図中、符号71は孔53内部のVNO薄膜55の表面上で成長した銅薄膜を示しており、符号70は、孔53外部のVNO薄膜54の表面に形成された銅薄膜を示している。
【0033】
次いで、真空槽6内部の真空状態を維持しながら、銅薄膜70、71が形成された基板51を取り出す。次に、銅薄膜70、71をシード層として、電解めっきにより銅を成長させ、孔53内部を充填させる。その状態を図3(d)に示す。ここでは、500nmの銅を成長させている。図中、符号56は孔53内部に充填され、銅からなる充填材料を示しており、符号57は孔53外部のVNO薄膜54の表面に形成された銅膜を示している。
【0034】
その後、銅膜57の表面を研磨し、銅膜57と、その下地膜であるVNO薄膜54とを完全に除去すると、孔内部の絶縁膜52表面にVNO薄膜55と銅薄膜71とが順次形成され、その表面に銅材料56が形成されて孔内部が充填されてなる銅充填プラグ80が形成される。その状態を図3(d)に示す。
【0035】
こうして、VNO薄膜が成膜された銅充填プラグ80の表面をSEMで観察した結果、深さ1.6μm、開口径0.3μmの孔53が完全に埋め込まれており、まためっきで形成された銅薄膜56にも剥離がみられなかったことが確認された。
【0036】
本発明の発明者等は、試みに、上述したVNO薄膜のかわりにTaN薄膜をスパッタ法で70nmの厚みにシリコン基板表面に成膜し、TaN薄膜の表面にCVD法で銅薄膜を50nmの厚みに成長させた後、その銅薄膜上に、電解メッキにより500nmの銅薄膜を堆積させてみた。しかしながら、純水洗浄工程で、電解めっきによって形成された銅薄膜はほぼ完全に剥離してしまっていた。
【0037】
以上説明したように、本実施形態の銅充填プラグ80は、孔53内部の絶縁膜52表面にVNO薄膜54が形成されている。
【0038】
VNO薄膜54は、後述するように比抵抗が小さいため、孔53の内部に厚く形成しても、コンタクト抵抗が過度に大きくならない。またVNO薄膜54をバリアメタルとして用いると、銅材料56から銅原子が絶縁膜52内部へと混入しにくくなり、銅に対するバリア性が高くなる。さらに、VNO薄膜54はCVD−Cu薄膜との密着性が高いので、銅材料56が剥離しにくい。従って、VNO薄膜54はTaN薄膜に比して、銅に対するバリアメタルとして適している。
【0039】
本発明の発明者等は、VNO薄膜とCVD−Cu薄膜との密着性の高さを確認するため、VNO薄膜とCVD−Cu薄膜との密着性と、TaN膜とCVD−Cu薄膜との密着性とを比較する試験を行った。
【0040】
この試験では、まず、20枚の基板を用意し、そのうちの10枚の表面に厚み70nmのVNO薄膜を、残りの10枚の表面に厚み70nmのTaN膜をそれぞれ反応性スパッタ法で成膜し、各VNO薄膜、TaN膜の表面に30〜100nm膜厚のCVD−Cu薄膜をそれぞれ堆積させた二種類の試料を用意した。
【0041】
そして、TaN膜とVNO薄膜がそれぞれ形成された各試料について、カッターでCVD−Cu薄膜の表面に1mm角100個の桝目を描き、それぞれの表面に粘着テープを貼着した後に剥離させるテープテストを行い、各試料について、粘着テープを剥離した後にも表面から剥離せずに残った桝目を数えた。
その結果、CVD−Cu薄膜の膜厚が100nmまでの範囲では、VNO薄膜上の桝目は100%残ったが、TaN膜上の桝目は一つも残らなかった。
【0042】
本発明の発明者等は、上述したVNO薄膜が形成された試料のCVD−Cu薄膜の上に、CVD−Cu薄膜よりも内部応力の大きいPVD−Cu薄膜をさらに積層した試料を用意し、テープテストを行うと、PVD−Cu薄膜を100nm積層したときにほぼ50%が剥離した。しかしながら、400℃で熱処理した後に同じテープテストを行うと、残った桝目は100%になっており、熱処理によって密着性は大きく向上することがわかる。これに対し、TaN薄膜を400℃で熱処理しても、密着性の向上はみられなかった。
【0043】
このように、反応性スパッタ法により成膜されたVNO薄膜をバリアメタルとして用い、そのVNO薄膜上にCVD−Cu薄膜を成膜すると、バリアメタルと銅薄膜の密着性が高くなることが確認できた。
【0044】
また、上述した実施形態では、真空槽2内でのO2ガスが、真空槽2内部で、全圧の7000ppmになるようにしてVNO薄膜を成膜した結果、VNO薄膜とCVD−Cu薄膜との密着性が良好であることを確認したが、本発明の発明者等は、添加するO2ガスの流量を変えてVNO薄膜を成膜した場合でも、上述したと同様にそのVNO薄膜と、CVD−Cu薄膜との密着性が良好であるか否かを確かめた。
【0045】
そこで、真空槽2内部のO2ガスを全圧の0ppm、200ppm、6000ppm、7000ppm、20000ppmにしてVN及びVNO薄膜を成膜し、それぞれのVNO薄膜の表面にCVD−Cu薄膜を成膜した後、各VNO薄膜とCVD−Cu薄膜との密着性を調べた。その結果、いずれの場合においてもVN及びVNO薄膜とCVD−Cu薄膜との密着性は良好で、CVD−Cu薄膜はVN及びVNO薄膜から剥離しにくくなることがわかった。
【0046】
このように、真空槽2内部のO2ガスが全圧の0ppm、200ppm、6000ppm、7000ppm、20000ppmになる試料のうち、O2ガスが全圧の6000ppm、7000ppmになる各試料について、それぞれのVNO薄膜中の原子の組成比を、オージェ分光法により測定した。
【0047】
この測定結果のうち、Arガスに6000ppmのO2ガスを添加した場合の測定結果を図12に示す。図12のグラフにおいて、横軸はスパッタ時間を示し、縦軸は原子密度を示している。
【0048】
また、図中で曲線(E)、(F)、(G)、(H)は、N、V、O、Siの原子密度をそれぞれ示している。曲線(G)より、VNO薄膜中のO原子の原子密度は約10%程度であることがわかる。
【0049】
図13は、7000ppmのO2ガスをArガスに添加した場合の測定結果を示しており、図13で曲線(J)、(K)、(L)、(M)は、N、V、O、Siの原子密度をそれぞれ示している。曲線(L)より、VNO薄膜中のO原子の原子密度は全体の約15%程度であることがわかる。
【0050】
同様に、真空槽内のO2ガスが全圧の200ppm、20000ppmになるようにしてVNO薄膜を成膜した各試料について、O原子の原子密度を調べたところ、O原子の原子密度は、それぞれ、1%、25%であった。
【0051】
以上より、VN膜と、少なくとも酸素原子が、全体の1%、10%、15%、25%だけ含まれているVNO薄膜とは、いずれもCVD−Cu薄膜との密着性が良好で、CVD−Cu薄膜が剥離しにくいことがわかる。
【0052】
なお、上述した実施形態では、銅薄膜70、71をシード層として、電解めっきにより銅からなる充填材料56で孔53を充填させたが、図3(b)に示す工程でVNO薄膜54、55を成膜した後に、それぞれのVNO薄膜54、55表面に図4(a)に示すように、銅薄膜70、71を厚く成長させ、銅薄膜71で孔内を充填させてしまい、その後同図(b)に示すように銅薄膜70を研磨することで、銅充填プラグ83を形成するように構成してもよい。
【0053】
本発明の発明者等は、VN及びVNO薄膜が、銅配線の際のバリアメタルとして適していることを確認するため、様々な特性について以下に示すようにさらに調べた。
【0054】
【実施例1】
本発明の発明者等は、VN及びVNO薄膜と、他の金属窒化物薄膜とのそれぞれについて、スパッタ成膜時における比抵抗の窒素分圧依存性を調べた。図5は、その結果を示すグラフであり、横軸は、真空槽内部の圧力を全圧としたときの窒素分圧を示し、縦軸は比抵抗を示している。
【0055】
曲線(A)はZrN薄膜の測定結果を示し、曲線(B)はCrN薄膜の測定結果を示している。また、曲線(C)はTaN薄膜の測定結果を示し、曲線(D)はVNO薄膜の測定結果を示し、曲線(N)はVN薄膜の測定結果を示している。ここでVNO薄膜はスパッタ成膜時の全圧に対して常に6000ppmの酸素を添加して成膜したものであり、この時の酸素(O)含有量は10%程度であり、窒素分圧の変化に対してほぼ一定であった。
【0056】
曲線(A)、(B)、(C)より、ZrN薄膜、CrN薄膜、TaN薄膜の比抵抗は窒素分圧の変化とともに大きく変動し、特に窒素分圧がある値以上になると急激に上昇して容易に103〜104μΩ・cmにまで達する。
【0057】
これに対し、VNOやVN薄膜は、曲線(D)、(N)に示すように、窒素分圧を10%〜80%に変化させても比抵抗は70〜200μΩ・cmの範囲でのみ増減し、しかも他のZrN薄膜、CrN薄膜、TaN薄膜に比して低抵抗である。
【0058】
特に、従来バリアメタルとして用いられていたTaN薄膜では、銅に対するバリア性が取れる膜として、急激に比抵抗が上昇し始まる窒素分圧で成膜された(図5では窒素分圧43%近傍)膜が用いられている。この時のTaN薄膜の比抵抗値はおよそ300μΩ・cmと比較的高い。
【0059】
これに対し、窒素分圧が30%近傍の条件でVNO薄膜を製造すると、その比抵抗は120μΩ・cm程度であり、同じ窒素分圧条件下で生成されたTaN薄膜の比抵抗の半分以下まで低くなっている。また、VN薄膜に関しては、90μΩ・cm程度であり1/3以下となっている。
【0060】
このように、VNやVNO薄膜は従来バリアメタルとして用いられていたTaN薄膜に比して比抵抗が小さく、特に孔内部のバリアメタルとして用いた場合に孔内部に厚く形成されても、コンタクト抵抗が過度に大きくなることはなく、バリアメタルとして適している。
【0061】
【実施例2】
本発明の発明者等は、VNO薄膜と、他の金属窒化物薄膜とのそれぞれについて、銅に対するバリア性を調べた。
【0062】
希弗酸処理したシリコン基板を四枚用意し、窒素分圧43%の条件下で、反応性スパッタ法により、各シリコン基板の表面に、バリア膜としてVNO薄膜(O原子を10%含有するもの)、TaN薄膜、ZrN薄膜、CrN薄膜をそれぞれ厚さ10nmずつ形成し、その後各バリア膜の上に200nmのPVD−Cu薄膜を積層し、四種類の試料を作製した。各試料を水素雰囲気中で500℃で2時間、更に600℃で2時間、計4時間アニール処理をした後、SEM(scanning electron microscope)により基板表面を観察した。
【0063】
図6、図7、図8、図9は、バリア膜としてそれぞれVNO薄膜、TaN薄膜、CrN薄膜、ZrN薄膜を形成した試料の表面分析写真を示している。
【0064】
図6に示すように、TaN薄膜をバリア膜とした試料では、銅原子が、PVD−Cu薄膜からバリア膜を介してシリコン基板内部に拡散して、シリコンと反応することにより、タワー状の銅シリサイドが表面の至るところに形成されてしまうことがわかる。図8、図9に示すように、CrN薄膜、ZrN薄膜をバリア膜とした試料についても、同様のタワー状の銅シリサイドが形成されている。
【0065】
これに対し、図7に示すようにVNO薄膜をバリア膜として用いた試料は表面形状の荒れはみられるものの、タワー状の銅シリサイドは形成されていない。このように、銅に対するバリア性に関しては、これら四種類の金属窒化物薄膜のうち、VNO薄膜が最も優れていることが確認できた。また、VN薄膜についても検討したところ、VNO薄膜とほぼ同様な結果を得た。
【0066】
【実施例3】
本発明の発明者等は、VNO薄膜と、従来銅配線のバリアメタルとして用いられていたTaN薄膜とのそれぞれについて、内部応力を調べる試験を行った。
【0067】
この試験では、シリコン基板上にVNO薄膜(O原子を10%含有するもの)と、TaN膜とをそれぞれ成長させ、VNO薄膜、TaN薄膜が自発的に剥離する膜厚になるまで成長を続けた。その結果、VNO薄膜、TaN薄膜のそれぞれについて剥離が生じたときの表面状態のSEM写真を図10、図11にそれぞれ示す。
【0068】
図11に示すTaN薄膜は、600nm程度の膜厚で鱗状に剥離しはじめるが、図10に示すVNO薄膜は1600nm程度の厚みでリボン状に大きく剥離する。このことより、VNO薄膜の内部応力はTaN薄膜に比べ小さいことが分かる。
【0069】
従来バリアメタルとして用いられていたTaN薄膜は、鱗状に細かく剥離するため、製造装置内にTaN薄膜が堆積すると、そのTaN薄膜が細かく剥離した後飛散して、ダストとなることがあったが、上述したようにVNO薄膜は大きく剥がれ、細かく剥離することはないので、ダストにはなりにくい。
【0070】
【発明の効果】
銅配線を形成する際に適したバリアメタルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いられるスパッタリング装置の構成を説明する図
【図2】本発明に用いられるCVD装置の構成を説明する図
【図3】(a):本発明の一実施形態に係る銅材料充填プラグの製造工程を説明する第1の断面図
(b):本発明の一実施形態に係る銅材料充填プラグの製造工程を説明する第2の断面図
(c):本発明の一実施形態に係る銅材料充填プラグの製造工程を説明する第3の断面図
(d):本発明の一実施形態に係る銅材料充填プラグの製造工程を説明する第4の断面図
(e):本発明の一実施形態に係る銅材料充填プラグの製造工程を説明する第5の断面図
【図4】(a):本発明の他の実施形態に係る銅材料充填プラグの製造工程を説明する第1の断面図
(b):本発明の他の実施形態に係る銅材料充填プラグの製造工程を説明する第2の断面図
【図5】金属窒化物薄膜の、スパッタ成膜時における比抵抗の窒素分圧依存性を示すグラフ
【図6】銅に対するバリア性の試験後におけるVNO薄膜の表面状態を示す顕微鏡写真
【図7】銅に対するバリア性の試験後におけるTaN薄膜の表面状態を示す顕微鏡写真
【図8】銅に対するバリア性の試験後におけるCrN薄膜の表面状態を示す顕微鏡写真
【図9】銅に対するバリア性の試験後におけるZrN薄膜の表面状態を示す顕微鏡写真
【図10】シリコン基板からVNO薄膜が剥離した状態を示す電子顕微鏡写真
【図11】シリコン基板からTaN薄膜が剥離した状態を示す電子顕微鏡写真
【図12】VNO薄膜の組成比のオージェ分光法による分析結果を示す第1のグラフ
【図13】VNO薄膜の組成比のオージェ分光法による分析結果を示す第2のグラフ
【符号の説明】
52…絶縁膜 53…孔 55…酸窒化バナジウム薄膜 56…銅材料 80…銅材料充填プラグ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a copper material filled plug and a method for manufacturing a copper material filled plug, and more particularly to an improvement in a copper material filled plug used in a wiring layer of a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
When copper wiring is used in the manufacture of LSI, a barrier metal is formed between the silicon oxide film and the copper wiring in order to prevent copper from diffusing into an insulating film such as a silicon oxide film as a base film. Yes.
[0003]
PVD tantalum nitride (TaN) is mainly used as the material for the barrier metal. This is because tantalum does not form an alloy with copper, and therefore has higher barrier properties against copper diffusion than PVD titanium nitride (TiN) conventionally used in aluminum wiring. However, TaN has a specific resistance more than twice as high as TiN (≦ 100 μΩ · cm) (≧ 200 μΩ · cm). In particular, when the barrier metal is formed as a barrier metal at the via junction, Becomes excessively high.
[0004]
Further, since the TaN thin film has a large internal stress, when the TaN thin film is deposited in the film forming apparatus, the thin film is finely peeled and dust is easily generated.
[0005]
Further, the TaN thin film has poor adhesion to a Cu thin film (hereinafter referred to as a CVD-Cu thin film) formed by the CVD method, and a CVD-Cu thin film is grown using the TaN thin film as a base film, or on the TaN thin film. When a copper plating film is grown using the formed CVD-Cu thin film as a seed layer, the CVD-Cu thin film easily peels off from the interface with the TaN thin film, and the CVD-Cu thin film is put into practical use as a copper wiring. Was the biggest obstacle.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention was created to meet the above-described prior art requirements. The purpose of the present invention is to have a small specific resistance, high adhesion to a CVD-Cu thin film, and a high internal capacity when a Cu thin film is used as a wiring. The object is to provide a barrier metal with low stress.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
A second aspect of the present invention is the copper material-filled plug according to the first aspect, wherein the copper material is formed by a CVD method.
A third aspect of the present invention is the copper material-filled plug according to the first aspect, wherein the copper material is formed on the surface of the vanadium oxynitride thin film by a CVD method and on the surface of the copper thin film. And the filled copper material.
A fourth aspect of the present invention is the copper material-filled plug according to any one of the first to third aspects, wherein the vanadium oxynitride thin film contains a maximum of 25% oxygen as an element ratio in the composition.
The invention according to
A sixth aspect of the present invention is the method of manufacturing a copper material-filled plug according to the fifth aspect, wherein the vanadium oxynitride thin film is formed by reactive sputtering or CVD.
Invention of
[0008]
According to the present invention, the insulating film formed on the substrate surface, the hole formed in the insulating film, and the surface of the insulating film inside the hole are disposed. Acid It has a vanadium nitride thin film and a copper material filled in the hole.
[0009]
in this way ,acid A vanadium nitride thin film is disposed inside the hole as a barrier metal. This Acid When a CVD-Cu thin film is formed using a vanadium nitride thin film as a base film ,acid Since the vanadium nitride thin film has high adhesiveness with the CVD-Cu thin film, the CVD-Cu thin film is less likely to be peeled off as compared with the conventional case where the TaN thin film is used as the base film.
[0010]
Also ,acid Since the vanadium nitride thin film has a smaller specific resistance than the TaN thin film, the via resistance does not increase even if it is formed thick inside the via.
[0011]
further ,acid Since the vanadium nitride thin film has low internal stress, even if the thin film is deposited inside the manufacturing apparatus, the thin film does not peel finely. Therefore, it does not cause dust generated when the deposited thin film is finely peeled off.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A method for manufacturing a copper-filled plug according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, a sputtering apparatus and a CVD apparatus used in the method for producing a copper-filled plug will be described.
[0013]
A sputtering
[0014]
A
[0015]
On the other hand, an
The surface of the
[0016]
Next, the CVD apparatus used in this embodiment will be described. 2, the CVD apparatus includes a
[0017]
A mesh plate 9 is disposed on the inner ceiling side of the
[0018]
The
[0019]
A method of manufacturing a copper-filled plug in which holes are formed in an insulating film formed on the surface of a substrate made of silicon or the like and a copper material is filled in the holes using the above-described apparatus will be described.
[0020]
First, as shown in FIG. 3A, an insulating
[0021]
Next, the inside of the
[0022]
Next, when the electrostatic
[0023]
Although the substrate temperature rises due to the discharge, a cooling device (not shown) is arranged inside the
[0024]
When the vanadium oxynitride thin film grows and the film thickness reaches the target thickness, the
[0025]
Although the case where the film is formed by reactive sputtering has been described above, it is of course possible to form the film using a thermal CVD method or a plasma CVD method.
In this case, the source gas is VCl for inorganic systems. Four In organic systems, bis (cyclopentadienyl) vanadium (II), bis (cyclopentadienyl) methyl vanadium (III), 2,4-pentanedionate vanadium (III), oxide bis (2,4-pentanedio Nate) vanadium (III), tris (2,4-pentanedionato) vanadium (III) as appropriate, combined, NH Three A film can be formed by reacting with a gas. O if necessary 2 Decomposition may be assisted by adding a gas or using plasma or the like.
[0026]
When the VNO
[0027]
Thereafter, the substrate on which the VNO
[0028]
Next, when the electrostatic
[0029]
When the
[0030]
Here, the source gas for CVD-Cu is a gas containing a known copper-containing precursor, such as bis (hexafluoroacetylacetonato) copper (II), hexafluoroacetylacetonatocopper (I) trimethylvinylsilane, hexafluoroacetyl. Acetonatocopper (I) bistrimethylsilylacetylene, hexafluoroacetylacetonatocopper (I) 1,5-cyclooctadiene, hexafluoroacetylacetonatocopper (I) 2-butyne, hexafluoroacetylacetonatocopper (I) triethyl A gas containing any one precursor among phosphine, Cu (I) t-butoxide, and Cu (I) t-butoxidecarbonyl is preferable.
[0031]
When such a reaction gas is introduced into the
[0032]
When the copper thin film grown on the surfaces of the VNO
[0033]
Next, the
[0034]
Thereafter, the surface of the
[0035]
Thus, as a result of observing the surface of the copper-filled
[0036]
The inventors of the present invention tried to form a TaN thin film with a thickness of 70 nm on the surface of the silicon substrate by sputtering instead of the VNO thin film described above, and formed a copper thin film with a thickness of 50 nm on the surface of the TaN thin film by CVD. Then, a 500 nm copper thin film was deposited by electrolytic plating on the copper thin film. However, in the pure water cleaning process, the copper thin film formed by electrolytic plating was almost completely peeled off.
[0037]
As described above, the copper-filled
[0038]
Since the VNO
[0039]
In order to confirm the high adhesion between the VNO thin film and the CVD-Cu thin film, the inventors of the present invention confirm the adhesion between the VNO thin film and the CVD-Cu thin film and the adhesion between the TaN film and the CVD-Cu thin film. The test which compares with sex was done.
[0040]
In this test, 20 substrates are first prepared, and a 70 nm thick VNO thin film is formed on the surface of 10 of them, and a 70 nm thick TaN film is formed on the remaining 10 surfaces by reactive sputtering. Two types of samples were prepared in which a CVD-Cu thin film having a thickness of 30 to 100 nm was deposited on the surface of each VNO thin film and TaN film.
[0041]
Then, for each sample on which the TaN film and the VNO thin film are respectively formed, a tape test is performed in which 100 mm squares are drawn on the surface of the CVD-Cu thin film with a cutter, and an adhesive tape is attached to each surface and then peeled off. For each sample, the cells remaining without peeling from the surface after the adhesive tape was peeled off were counted.
As a result, when the film thickness of the CVD-Cu thin film was up to 100 nm, 100% of the mesh on the VNO thin film remained, but no grid on the TaN film remained.
[0042]
The inventors of the present invention prepare a sample in which a PVD-Cu thin film having a larger internal stress than that of the CVD-Cu thin film is further laminated on the above-described CVD-Cu thin film on which the VNO thin film is formed. When the test was performed, almost 50% peeled when the PVD-Cu thin film was laminated to 100 nm. However, when the same tape test is performed after heat treatment at 400 ° C., the remaining mesh is 100%, and it can be seen that the adhesion is greatly improved by the heat treatment. On the other hand, even when the TaN thin film was heat treated at 400 ° C., no improvement in adhesion was observed.
[0043]
In this way, it can be confirmed that the adhesion between the barrier metal and the copper thin film is enhanced when the VNO thin film formed by the reactive sputtering method is used as the barrier metal and the CVD-Cu thin film is formed on the VNO thin film. It was.
[0044]
In the embodiment described above, O in the
[0045]
Therefore, O inside the
[0046]
Thus, O in the
[0047]
Of these measurement results, 6000 ppm O in Ar gas. 2 The measurement result when the gas is added is shown in FIG. In the graph of FIG. 12, the horizontal axis indicates the sputtering time, and the vertical axis indicates the atomic density.
[0048]
In the drawing, curves (E), (F), (G), and (H) indicate the atomic densities of N, V, O, and Si, respectively. From the curve (G), it can be seen that the atomic density of O atoms in the VNO thin film is about 10%.
[0049]
FIG. 13 shows 7000 ppm O 2 FIG. 13 shows measurement results when gas is added to Ar gas, and curves (J), (K), (L), and (M) in FIG. 13 indicate atomic densities of N, V, O, and Si, respectively. ing. From the curve (L), it can be seen that the atomic density of O atoms in the VNO thin film is about 15% of the whole.
[0050]
Similarly, O in the vacuum chamber 2 For each sample in which the VNO thin film was formed so that the gas had a total pressure of 200 ppm and 20000 ppm, the atomic density of O atoms was examined. The atomic density of O atoms was 1% and 25%, respectively. .
[0051]
From the above, the VN film and the VNO thin film containing at least 1%, 10%, 15%, and 25% of oxygen atoms at all have good adhesion to the CVD-Cu thin film, and CVD. -It turns out that Cu thin film is hard to peel.
[0052]
In the above-described embodiment, the copper
[0053]
In order to confirm that the VN and VNO thin films are suitable as a barrier metal for copper wiring, the inventors of the present invention further investigated various characteristics as described below.
[0054]
[Example 1]
The inventors of the present invention examined the nitrogen partial pressure dependence of the specific resistance during sputter deposition for each of the VN and VNO thin films and the other metal nitride thin films. FIG. 5 is a graph showing the results. The horizontal axis represents the nitrogen partial pressure when the pressure inside the vacuum chamber is the total pressure, and the vertical axis represents the specific resistance.
[0055]
Curve (A) shows the measurement result of the ZrN thin film, and curve (B) shows the measurement result of the CrN thin film. Curve (C) shows the measurement result of the TaN thin film, curve (D) shows the measurement result of the VNO thin film, and curve (N) shows the measurement result of the VN thin film. Here, the VNO thin film was formed by always adding 6000 ppm of oxygen to the total pressure at the time of sputtering film formation, and the oxygen (O) content at this time was about 10%, and the nitrogen partial pressure was It was almost constant against changes.
[0056]
From the curves (A), (B), and (C), the specific resistance of the ZrN thin film, CrN thin film, and TaN thin film fluctuates greatly with the change of the nitrogen partial pressure, and increases rapidly when the nitrogen partial pressure exceeds a certain value. 10 easily Three -10 Four It reaches to μΩ · cm.
[0057]
On the other hand, as shown in curves (D) and (N), the specific resistance of VNO and VN thin films increases or decreases only in the range of 70 to 200 μΩ · cm even if the nitrogen partial pressure is changed from 10% to 80%. In addition, the resistance is lower than other ZrN thin films, CrN thin films, and TaN thin films.
[0058]
In particular, a TaN thin film conventionally used as a barrier metal was formed at a nitrogen partial pressure at which the specific resistance starts to increase rapidly as a film capable of taking a barrier property against copper (in FIG. 5, the nitrogen partial pressure is around 43%). A membrane is used. The specific resistance value of the TaN thin film at this time is relatively high at about 300 μΩ · cm.
[0059]
On the other hand, when a VNO thin film is manufactured under a condition where the nitrogen partial pressure is around 30%, the specific resistance is about 120 μΩ · cm, which is less than half of the specific resistance of the TaN thin film produced under the same nitrogen partial pressure condition. It is low. The VN thin film is about 90 μΩ · cm, which is 1/3 or less.
[0060]
As described above, the VN and VNO thin films have a smaller specific resistance than the TaN thin film conventionally used as a barrier metal, and particularly when used as a barrier metal inside the hole, the contact resistance is reduced even if it is formed thick inside the hole. Is not excessively large and is suitable as a barrier metal.
[0061]
[Example 2]
The inventors of the present invention examined the barrier properties against copper for each of the VNO thin film and other metal nitride thin films.
[0062]
Four silicon substrates treated with dilute hydrofluoric acid were prepared, and a VNO thin film (containing 10% O atoms) was formed as a barrier film on the surface of each silicon substrate by reactive sputtering under a condition of a nitrogen partial pressure of 43%. ), A TaN thin film, a ZrN thin film, and a CrN thin film were each formed to a thickness of 10 nm, and then a 200 nm PVD-Cu thin film was laminated on each barrier film to prepare four types of samples. Each sample was annealed in a hydrogen atmosphere at 500 ° C. for 2 hours and further at 600 ° C. for 2 hours for a total of 4 hours, and then the substrate surface was observed by a scanning electron microscope (SEM).
[0063]
6, FIG. 7, FIG. 8, and FIG. 9 show surface analysis photographs of samples in which a VNO thin film, a TaN thin film, a CrN thin film, and a ZrN thin film are formed as barrier films, respectively.
[0064]
As shown in FIG. 6, in the sample using a TaN thin film as a barrier film, copper atoms diffuse into the silicon substrate through the barrier film from the PVD-Cu thin film and react with silicon, so that tower-shaped copper is obtained. It can be seen that silicide is formed all over the surface. As shown in FIGS. 8 and 9, the same tower-like copper silicide is formed also on the sample using the CrN thin film and the ZrN thin film as a barrier film.
[0065]
On the other hand, as shown in FIG. 7, the sample using the VNO thin film as a barrier film has a rough surface shape, but no tower-like copper silicide is formed. Thus, regarding the barrier property against copper, it was confirmed that the VNO thin film was the best among these four types of metal nitride thin films. Further, when the VN thin film was also examined, almost the same result as the VNO thin film was obtained.
[0066]
[Example 3]
The inventors of the present invention conducted a test to examine internal stress for each of the VNO thin film and the TaN thin film conventionally used as a barrier metal for copper wiring.
[0067]
In this test, a VNO thin film (containing 10% O atoms) and a TaN film were grown on a silicon substrate, and the growth was continued until the VNO thin film and the TaN thin film spontaneously peeled off. . As a result, SEM photographs of the surface state when peeling occurs for each of the VNO thin film and the TaN thin film are shown in FIGS. 10 and 11, respectively.
[0068]
The TaN thin film shown in FIG. 11 begins to peel like a scale with a thickness of about 600 nm, whereas the VNO thin film shown in FIG. 10 peels greatly like a ribbon with a thickness of about 1600 nm. This shows that the internal stress of the VNO thin film is smaller than that of the TaN thin film.
[0069]
Since the TaN thin film conventionally used as a barrier metal peels finely in a scale shape, when the TaN thin film is deposited in the manufacturing apparatus, the TaN thin film is finely peeled and then scattered to become dust. As described above, the VNO thin film is largely peeled off and does not peel finely, so that it is difficult to become dust.
[0070]
【Effect of the invention】
A barrier metal suitable for forming a copper wiring can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a sputtering apparatus used in the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a CVD apparatus used in the present invention.
FIG. 3A is a first cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a copper material-filled plug according to an embodiment of the present invention.
(b): Second cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a copper material-filled plug according to an embodiment of the present invention
(c): Third cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a copper material-filled plug according to an embodiment of the present invention
(d): 4th sectional view explaining the manufacturing process of the copper material filling plug concerning one embodiment of the present invention.
(e): 5th sectional view explaining the manufacturing process of the copper material filling plug concerning one embodiment of the present invention.
FIG. 4A is a first cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a copper material-filled plug according to another embodiment of the present invention.
(b): Second cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a copper material-filled plug according to another embodiment of the present invention
FIG. 5 is a graph showing the nitrogen partial pressure dependence of the specific resistance of a metal nitride thin film during sputter deposition.
FIG. 6 is a photomicrograph showing the surface state of a VNO thin film after a test for barrier properties against copper.
FIG. 7 is a photomicrograph showing the surface state of a TaN thin film after a test for barrier properties against copper.
FIG. 8 is a micrograph showing the surface state of a CrN thin film after a test for barrier properties against copper.
FIG. 9 is a micrograph showing the surface state of a ZrN thin film after a test for barrier properties against copper.
FIG. 10 is an electron micrograph showing a state where a VNO thin film is peeled off from a silicon substrate.
FIG. 11 is an electron micrograph showing a state in which a TaN thin film is peeled off from a silicon substrate.
FIG. 12 is a first graph showing an analysis result of the composition ratio of a VNO thin film by Auger spectroscopy.
FIG. 13 is a second graph showing the analysis result of the composition ratio of the VNO thin film by Auger spectroscopy.
[Explanation of symbols]
52 ... Insulating
Claims (7)
前記絶縁膜に設けられた孔と、
少なくとも、前記孔内部の前記絶縁膜の表面に配置された酸窒化バナジウム薄膜と、
前記酸窒化バナジウム薄膜が配置された前記孔内部に充填された銅材料とを有する銅材料充填プラグ。An insulating film;
A hole provided in the insulating film;
At least, said insulating oxynitride vanadium film disposed on the surface of the membrane within said bore,
Copper material fill plug and a copper material filled prior to the hole inside hexane vanadium nitride thin film is placed.
前記酸窒化バナジウム薄膜表面にCVD法により形成された銅薄膜と、
前記銅薄膜の表面に形成された充填用銅材料とで構成された請求項1記載の銅材料充填プラグ。The copper material is
A copper thin film formed by a CVD technique prior hexane vanadium nitride thin film surface,
The copper material filling plug according to claim 1, comprising a filling copper material formed on a surface of the copper thin film.
前記絶縁膜の孔の中に、酸窒化バナジウム薄膜を形成する工程と、
前記酸窒化バナジウム薄膜の表面に、CVD法で銅材料を成長させる工程とを有する銅材料充填プラグの製造方法。 Forming an insulating film provided with holes on the substrate;
Forming a vanadium oxynitride thin film in the holes of the insulating film ;
A method for producing a plug filled with a copper material, comprising a step of growing a copper material by a CVD method on the surface of the vanadium oxynitride thin film.
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