JP4601919B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路によって構成された半導体装置においては、高集積化が大きく進展してきている。特に、MIS( Metal Insulated semiconductor )型の半導体装置においては、高集積化に対応するため、トランジスタ等の素子の微細化、高性能化が図られており、更なる微細化、高性能化も求められている。
【0003】
また、このような半導体装置の配線の形成工程においては、プラズマCVDやプラズマエッチングに代表されるプラズマプロセスの利用が増加している。これは、半導体装置の配線の形成工程においては、不純物の拡散の点や金属配線材料の耐熱性の点から熱処理量に制約があり、プラズマプロセスによれば熱処理量を小さくできるからである。
【0004】
更に、近年においては、高性能化を図るため銅(Cu)配線が導入される場合があるが、銅(Cu)配線の形成にはダマシン法が使用されるため、この場合は、益々、プラズマプロセスの利用が増大する。
【0005】
このように、プラズマプロセスはエッチング時だけでなく、成膜時にも多用されており、プラズマプロセスの利用は年々増加傾向にある。ところが、プラズマプロセスの利用増大に伴い、プラズマプロセスによるデバイス損傷が顕在化してきている。これを主に「プラズマチャージングダメージ」と呼び、近年大きくクローズアップされている。
【0006】
このようなプラズマチャージングダメージを受けた半導体装置においては、デバイス特性が劣化するため、不良品となる。また、プラズマチャージングダメージの問題においては、特に、ゲート絶縁膜における信頼性の劣化が重大な問題となっている。
【0007】
このような問題を解決するため、特許文献1には、半導体基板上に、保護ダイオードを設けた半導体装置が開示されている。特許文献1に開示された半導体装置においては、プラズマチャージングダメージを生じさせるチャージング電流は保護ダイオードを介して設置電位に逃がされる。このため、チャージング電流がゲート絶縁膜に印加されるのが抑制され、ゲート絶縁膜の破壊が回避される。
【0008】
【特許文献1】
特開平10−173157号公報(第20段落、第2図−第9図)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、保護ダイオードが形成された半導体基板にプラズマプロセスを実施した場合は、以下に示す問題が生じることがある。図6を用いて従来の半導体装置の製造方法について説明しながら、この問題を説明する。
【0010】
図6は、従来の半導体装置における層間絶縁膜の形成工程を示す断面図であり、図6(a)は半導体基板の法線方向に沿って切断した断面図、図6(b)は図6(a)に示す切断線C−C´に沿って切断した断面図である。図6に示す半導体装置は、多層配線構造を有している。
【0011】
最初に、素子分離32とnウェル(n well)33とが設けられたp型シリコン基板31上に、ゲート絶縁膜36を形成する。素子分離32の形成方法としては、STI(Shallow Trench Isolation)法を用いることができる。次に、ゲート絶縁膜(膜厚2.2nm)36の上にゲート電極37を形成し、ゲート絶縁膜36及びゲート電極37の両側面にサイドウォール38を形成する。なお、ゲート電極37はp+ポリシリコンによって形成されている。
【0012】
次いで、イオン注入によって、保護ダイオードとして機能する活性領域(p+)35、ソース(p+)領域34a及びドレイン(p+)領域34bを形成する。これにより、ゲート絶縁膜6及びゲート電極7を備えたpチャンネルMOSトランジスタが形成する。その後、プラズマCVD装置(図示せず)によってプラズマを発生させて、第1層間絶縁膜40を成膜する。
【0013】
更に、第1層間絶縁膜40にコンタクトホールを形成し、タングステンを充填してWプラグ39a〜39cを形成する。その後、ダマシン法を用いて、配線42a、42b、43及び44を同時に形成する。これらの配線は銅配線(厚み500nm)であり、第1層間絶縁膜40に埋め込まれている。
【0014】
なお、配線42aは、Wプラグ39cを介してゲート電極37に接続され、Wプラグ39bを介して活性領域35に接続されるように形成されている。配線42bはWプラグ39aを介して活性領域35に接続されるように形成されている。
【0015】
一方、図6(b)からも分るように、配線43及び44は、ダマシン法で実施されるCMP(chemical mechanical polishing)工程における平坦性の確保のためのダミー配線である。また、配線43及び44は、その全周囲が第1の絶縁層40と第2の絶縁層41とによって絶縁されており、電気的に浮遊した状態にある。
【0016】
次に、プラズマCVD装置(図示せず)によってプラズマを発生させて、第1層間絶縁膜40の上に第2層間絶縁膜41を成膜する。この後、上述した工程と同様にして、第2層間絶縁膜41にもWプラグ48a及び48bを形成し、更に配線45a、配線45b及び配線46を形成する。配線46は、上記の配線43及び44と同様のダミー配線であり、配線43及び44の真上に位置している。
【0017】
その後、図6に示すように、第2層間絶縁膜41の上に、プラズマCVD装置(図示せず)によってプラズマを発生させて第3層間絶縁膜47を成膜する。このように、層間絶縁膜の形成、Wプラグの形成、配線の形成を繰り返すことにより、所望の多層配線構造を有した半導体装置を得ることができる。
【0018】
ところで、上述したように、プラズマCVD装置(図示せず)によるプラズマプロセスによって第1層間絶縁膜40、第2層間絶縁膜41及び第3層間絶縁膜47を成膜するが、プラズマプロセス時においては、プラズマから紫外領域の光線がシリコン基板31に向けて放射される。また、このような紫外領域の光線が活性領域35に入射すると、入射した光線の量に応じてダイオードの整流特性が崩れ、活性領域5とnウェル3との間において正方向へのリーク電流が増大するという現象が生じる。
【0019】
このような現象が生じた場合は、例え、電界の印加方向が逆方向(シリコン基板からプラズマへと向かう方向)であったとしても、プラズマ14からのチャージング電流は保護ダイオードを介して設置電位へと逃がされ、ゲート絶縁膜37にかかる電気的ストレスは軽減される。
【0020】
しかしながら、図6の例では、第2層間絶縁膜41の成膜時においては、配線44が活性領域35の真上に位置し、第3層間絶縁膜47の成膜時においては、配線46の一つが活性領域35の真上に位置している。なお、図6(b)において、45は、活性領域35をシリコン基板31の法線方向に沿って絶縁層40の切断面に投影して得られる領域を示している。
【0021】
このため、プラズマから保護ダイオードへ向けて放射された紫外領域の光線の一部は、第2層間絶縁膜41の成膜時には配線44によって吸収され、又第3層間絶縁膜48の成膜時には配線44と配線46とによって吸収されてしまう。この場合、活性領域35に入射する光量は十分でなく、更に、発生する正方向へのリーク電流も小さいといえる。
【0022】
よって、電界の印加方向が逆方向である場合は、プラズマからのチャージング電流の一部は保護ダイオードを流れずに、ゲート絶縁膜36へと向かい、ゲート絶縁膜36に電気的なストレスを与えてデバイス特性を劣化させてしまう。また、プラズマプロセスにおいては、プラズマCVD装置における電圧波形の切り替えが行われることもあり、シリコン基板31への電界の印加方向が、正方向でなく、逆方向となる場合は少なくないと言える。
【0023】
このように、図6に示す例では、保護ダイオードが形成されているにもかかわらず、第2層間絶縁膜41の成膜時と第3層間絶縁膜48の成膜時との両方において電界の印加方向が逆方向となった場合は、二回に渡って、ゲート絶縁膜36に電気的なストレスがかかることになる。このことから、保護ダイオードの役割の限界が指摘されている。
【0024】
本発明の目的は、上記問題を解決し、プラズマプロセス時の電界の印加方向に影響されずに、プラズマチャージングダメージの抑制を図り得る半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0025】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にかかる第1の半導体装置の製造方法は、(a)半導体基板のウエル上に、ゲート絶縁膜及びゲート電極の積層体を含むMOSトランジスタと、保護ダイオードとして機能する活性領域とを少なくとも形成する工程と、(b)前記半導体基板上に、プラズマCVD装置を用いたプラズマプロセスによって、前記積層体及び前記活性領域を被覆する第1の絶縁層を形成する工程と、(c)前記第1の絶縁層に、CMP処理における平坦化用ダミー配線と、前記ゲート電極と前記活性領域とを電気的に接続する非ダミー配線とをダマシン法を用いて同時に形成する工程と、(d)前記第1の絶縁層の上に、プラズマCVD装置を用いたプラズマプロセスによって、第2の絶縁層を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、前記(c)の工程において、前記ダミー配線が、前記活性領域を前記半導体基板の法線方向に沿って前記絶縁層に投影して得られる領域と重ならないように、前記ダミー配線と前記非ダミー配線とを形成することを特徴とする。
【0032】
上記第1の半導体装置の製造方法を用いれば、プラズマプロセスによって第2の絶縁層を形成する際に、ダイオードとして機能する活性領域に入射する紫外領域の光線の量を、従来技術に示した図6の例に比べて増加させることができる。よって、ダイオードの整流特性を大きく崩れさせて活性領域における正方向へのリーク電流を増大させることができる。このため、プラズマによる電界の印加方向が逆方向となった場合であっても、プラズマからのチャージング電流を、ダイオードを介して設置電位へと逃がすことができ、プラズマプロセス中にゲート絶縁膜が受ける電気的なストレスを軽減しながら半導体装置を製造できる。
【0033】
上記第1の半導体装置の製造方法においては、前記第1の絶縁層及び前記第2の絶縁層が、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であるのが好ましい。
【0034】
また、上記目的を達成するために本発明にかかる第2の半導体装置の製造方法は、(a)半導体基板のウエル上に、ゲート絶縁膜及びゲート電極の積層体を含むMOSトランジスタと、保護ダイオードとして機能する活性領域とを少なくとも形成する工程と、(b)前記半導体基板上に、プラズマCVD装置を用いたプラズマプロセスによって、前記積層体及び前記活性領域を被覆する下地絶縁層を形成する工程と、(c)前記下地絶縁層に、CMP処理における平坦化用の第1のダミー配線と、前記ゲート電極と前記活性領域とを電気的に接続する第1の配線とをダマシン法を用いて同時に形成する工程と、(d)プラズマCVD装置を用いたプラズマプロセスによって、前記下地絶縁層の上層に位置する絶縁層を形成する工程と、(e)前記(d)の工程によって得られた絶縁層に、CMP処理における平坦化用の第2のダミー配線と、前記第1の配線に電気的に接続される第2の配線とをダマシン法を用いて同時に形成する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、前記(e)の工程において、前記第2のダミー配線が、前記活性領域を前記半導体基板の法線方向に沿って前記第2のダミー配線の形成される前記絶縁層に投影して得られる領域と重ならないように、前記第2のダミー配線と前記第2の配線とを形成することを特徴とする。
【0035】
上記第2の半導体装置の製造方法を用いれば、前記(d)の工程によって得られた絶縁層の上に、プラズマプロセスによって更に絶縁層を形成する際に、ダイオードとして機能する活性領域に入射する紫外領域の光線の量を、従来技術に示した図6の例に比べて増加させることができる。よって、上記第2の半導体装置の製造方法においても、ダイオードの整流特性を大きく崩れさせて活性領域における正方向へのリーク電流を増大させることができ、プラズマプロセス中にゲート絶縁膜が受ける電気的なストレスを軽減しながら半導体装置を製造できる。
【0036】
上記第2の半導体装置の製造方法においては、前記下地絶縁層及び前記下地絶縁層の上層に位置する絶縁層が、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であるのが好ましい。
【0037】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図1〜図4を参照しながら説明する。最初に、図1を用いて本実施の形態1にかかる半導体装置の構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の構成を部分的に示す断面図であり、図1(a)は半導体装置を構成する半導体基板の法線方向に沿って切断した断面図、図1(b)は図1(a)に示す切断線A−A´に沿って切断した断面図である。
【0038】
図1(a)に示すように、本実施の形態1にかかる半導体装置は、従来技術において図6に示した半導体装置と同様に、p型シリコン基板1を備えており、シリコン基板1には複数の素子分離2が、所定の間隔をおいて、シリコン基板1上に露出するように形成されている。
【0039】
また、シリコン基板1上の素子分離2間には、従来技術において図6に示した半導体装置と同様に、シリコン基板1の内部に形成されたnウェル(n well)3と、ゲート絶縁膜6と、p+ポリシリコンで形成されたゲート電極7と、シリコン基板1の表層部分に設けられたソース(p+)領域4a及びドレイン(p+)領域4bとによって、pチャンネルMOSトランジスタが形成されている。
【0040】
ゲート絶縁膜6及びゲート電極7は、従来技術において図6に示した半導体装置と同様に、互いに整合されるように形成されており、これらの両側面には、両側面を覆うようにサイドウォール8が形成されている。また、シリコン基板1には、保護ダイオードとして機能する活性領域(p+)5が形成されている。
【0041】
また、シリコン基板1の上には、従来技術において図6に示した半導体装置と同様に、第1層間絶縁膜10が形成されており、第1層間絶縁膜10の上には第2層間絶縁膜11が形成されている。更に、第1層間絶縁膜10には、配線12a、配線12b、及び配線13が形成されている。なお、第1層間絶縁膜10及び第2層間絶縁膜11は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜である。
【0042】
配線12a、配線12b、及び配線13は、ダマシン法によって同時に形成された銅配線(厚み500nm)であり、第1層間絶縁膜10に埋め込まれている。これらの配線のうち、配線13は、ダマシン法で実施されるCMP工程における平坦性の確保のためのダミー配線である。配線13の全周囲は第1層間絶縁膜10と第2層間絶縁膜11とによって絶縁されており、配線13は電気的に浮遊した状態にある。更に、配線13は、図1(b)に示すように、複数個で構成されており、正方形状に形成されている。
【0043】
一方、配線12a及び12bは、非ダミー配線である。配線12aはWプラグ9aを介して活性領域5に接続されている。また、配線12bは、Wプラグ9bを介して活性領域5に接続され、Wプラグ9cを介してゲート電極7に接続されている。なお、本実施の形態1においては、図1(b)に示すように、配線12a及び12bは短冊状に形成されている。
【0044】
なお、Wプラグ9a〜9cは、従来技術において図6に示したWプラグ39a〜39cと同様に、第1層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホールに、タングステンを充填して形成されている。
【0045】
このように、本実施の形態1にかかる半導体装置は、従来技術において図6に示した半導体装置と同様の構成を有しているが、以下に説明するように、この従来の半導体装置と異なる点を有している。
【0046】
本実施の形態1においては、図1(b)に示すように、従来技術において図6に示した半導体装置と異なり、ダミー配線である配線13は、活性領域5をシリコン基板1の法線方向に沿って第1層間絶縁層10に投影して得られる領域(投影領域)15と重ならないように配置されている。つまり、図1(b)から分るように、本実施の形態1においては、保護ダイオードとして機能する活性領域5の上方にはダミー配線13は存在していない。このため、第2層間絶縁膜11をプラズマプロセスによって形成する場合において、従来技術に示した図6の例に比べて、活性領域5に入射する紫外領域の光線の量は多くなっている。この点について以下に説明する。
【0047】
図2に用いて、本実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法及びダミー配線による作用について説明する。図2は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。なお、図2は、図1に示す半導体装置を構成する第2層間絶縁膜11の形成工程を示している。
【0048】
最初に、素子分離2とnウェル3とが設けられたシリコン基板1上に、ゲート絶縁膜6を形成する。次に、ゲート絶縁膜6の上にゲート電極7を形成し、ゲート絶縁膜6及びゲート電極7の両側面にサイドウォール8を形成する。次いで、例えばホウ素(B)イオンをイオン注入して、活性領域5、ソース(p+)領域4a及びドレイン(p+)領域4bを形成する。
【0049】
その後、プラズマCVD装置(図示せず)によってプラズマを発生させて、第1層間絶縁膜10を成膜する。なお、このとき、ゲート電極7に接続される配線は未だ形成されていないため、プラズマによるチャージ電流は発生しない。
【0050】
次に、下地層間絶縁膜となる第1層間絶縁層10に、底面に活性領域5の一端部分が露出したコンタクトホール、底面に活性領域5の他端部分が露出したコンタクトホール、及び底面にゲート電極7が露出したコンタクトホールを形成し、これらコンタクトホールの内部にタングステンを充填してWプラグ9a〜9cを形成する。
【0051】
その後、ダマシン法を用いて配線12a、配線12b、及び配線13を同時に形成する。具体的には、先ず、下地層間絶縁膜10の配線を設けるべき位置に溝を形成する。但し、ダミー配線となる配線13を構成する溝は、投影領域5と重ならないようにレイアウトする必要がある。次いで、下地層間絶縁膜10に形成された溝が埋まるように銅の層を形成し、CMP法による研磨によって余分な厚みを除去する。
【0052】
次に、図2に示すように、プラズマCVD装置(図示せず)によってプラズマ14を発生させて、第2層間絶縁膜11を成膜する。このとき、本実施の形態1においては、投影領域15上にはダミー配線は存在していないため、従来技術において示した図6の例に比べて、多くの紫外領域の光線が活性領域5に入射する。このため、ダイオードの整流特性の崩れが大きく、活性領域5とnウェル3との間において正方向へのリーク電流が増大することになる。
【0053】
この結果、本実施の形態1においては、電界の印加方向が逆方向となった場合であっても、プラズマ14からのチャージング電流は図2中の矢印に示すように保護ダイオードを介して設置電位へと逃がされる。なお、ダイオードの整流特性が大きく崩れ、電界の印加方向が正方向となった場合も、問題なくチャージング電流は保護ダイオードを介して設置電位へと逃がされる。
【0054】
このように、本実施の形態1においては、プラズマプロセス時の電界の印加方向に拘わらずに、チャージング電流を保護ダイオードへと流すことができる。このため、従来に比べて、ゲート絶縁膜の受ける電気的ストレスを軽減でき、デバイス特性の劣化を抑制することができる。
【0055】
ここで、本実施の形態1にかかる半導体装置及び半導体装置の製造方法による効果を図3及び図4を用いて説明する。図3は、本発明の実施形態1にかかる半導体装置を構成するトランジスタ素子の特性曲線を示す図である。図4は、図3に示す特性曲線の飽和領域を拡大して示す図である。
【0056】
なお、このトランジスタ素子は上述したようにpチャンネルMOSトランジスタである。図3及び図4において、横軸はゲート電圧を示し、縦軸はドレイン電流を示している。ドレイン電圧は1.2[V]に設定されている。
【0057】
また、図3及び図4に示す従来の半導体装置は図6に示す半導体装置であり、図3及び図4には図6に示す半導体装置を構成するpチャンネルMOSトランジスタの特性曲線も図示されている。
【0058】
図3及び図4から分るように、実施の形態1にかかる半導体装置を構成するトランジスタ素子は、従来の半導体装置を構成するトランジスタ素子に比べて、駆動能力が5%以上向上している(実施の形態1:138uA/um、従来:134uA/um)。このことは、実施の形態1によれば、従来に比べて、ゲート絶縁膜におけるプラズマチャージングダメージの抑制を図ることができ、デバイス特性の向上を図ることができることを示している。
【0059】
なお、本実施の形態1においては、半導体装置は多層配線構造を有するものであっても良い。また、例えば、従来技術において図6に示したように、配線層が二層の場合であって、第1層間絶縁膜の成膜時においてのみ電界の印加方向が逆方向になると予想される場合は、第2層間絶縁膜に形成するダミー配線は投影領域に重なる位置に配置されていても良い。
【0060】
(実施の形態2)
次に本発明の実施の形態2にかかる半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図5を参照しながら説明する。図5は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の構成を部分的に示す断面図であり、図5(a)は半導体装置を構成する半導体基板の法線方向に沿って切断した断面図、図5(b)は図5(a)に示す切断線B−B´に沿って切断した断面図である。なお、図5において、図1に示した符号と同様の符号が付された部分は、図1に示したものと同様のものである。
【0061】
図5(a)及び(b)に示すように、本実施の形態2にかかる半導体装置においても、第1層間絶縁膜10には、ダマシン法によって配線21〜24及び29が設けられている。配線24及び29は、実施の形態1において図1に示した配線13と同様のダミー配線であり、正方形状に形成されている。また、配線21、配線22及び配線23は、実施の形態1において図1に示した配線12a及び12bと同様の非ダミー配線であり、実施の形態1と同様に短冊状の形状を有している。
【0062】
但し、本実施の形態2においては、実施の形態1と異なり、ダミー配線のうち配線29は、投影領域15に重なるように形成されている。よって、プラズマプロセスによる第2層間絶縁膜11及び後述する第3層間絶縁膜28の成膜時においては、従来技術において図6を用いて説明した半導体装置と同様に、プラズマから放射される紫外領域の光線のうち、保護ダイオードへと向かう光線の一部は、配線29によって吸収される。
【0063】
なお、配線21、配線22及び配線23は、実施の形態1とレイアウトが異なっている。配線23はWプラグ9aを介して、配線22はWプラグ9bを介して、それぞれ活性領域5に接続されている。配線21はWプラグ9cを介してゲート電極7に接続されている。
【0064】
一方、本実施の形態2においては、第2層間絶縁膜11にも、非ダミー配線である配線25及び26と、ダミー配線である配線30とが形成されており、多層配線構造となっている。また、第2層間絶縁膜11の上層には、プラズマプロセスによって第3層間絶縁膜28が成膜されている。なお、配線25は、Wプラグ27aを介して配線23に接続されており、配線26は、Wプラグ27bを介して配線22に接続されている。
【0065】
更に、ダミー配線である配線30は、図5(b)に示すように投影領域15と重ならない配線24の真上にのみ配置されており、活性領域5をシリコン基板1の法線方向に沿って第2層間絶縁層11に投影して得られる領域(図示せず)と重ならないように配置されている。
【0066】
このため、本実施の形態3においては、従来技術において図6を用いて説明した例と異なり、第2層間絶縁膜11に形成されたダミー配線(配線29)によって、第3層間絶縁膜28の成膜時に活性領域5へと向かう紫外領域の光線が吸収されることはない。従って、従来技術において示した図6の例に比べて、第3層間絶縁膜28の成膜時に活性領域5に入射する紫外領域の光線の量は多く、ゲート絶縁膜6が受ける電気的ストレスは小さくなっている。
【0067】
このことから、本実施の形態2においては、第2層間絶縁膜11の成膜時と第3層間絶縁膜28の成膜時との両方において電界の印加方向が逆方向となった場合であっても、半導体装置の完成までにゲート絶縁膜6が受ける電気的ストレスのトータルは、従来技術において示した図6の例に比べて小さく、デバイス特性の劣化も小さいといえる。
【0068】
また、上層に位置する配線の上に成膜される層間絶縁膜の形成時のチャージングダメージを想定して、上記配線よりも下層に位置するダミー配線が投影領域に重ならないようにすることは、配線形成のためのマスクデータやデザインルールチェックに必要以上の工数が要求され、効率的ではない。このことから、本実施の形態2にかかる半導体装置及び半導体装置の製造方法は、特に、第3層間絶縁膜28の成膜時においてのみ、電界の印加方向が逆方向となる場合やその可能性が高い場合に有効である。
【0069】
また、本実施の形態2においては、配線が設けられる層間絶縁膜が2層である場合について説明しているが、本実施の形態2はこれに限定されるものではなく、配線が設けられる層間絶縁膜は3層以上であっても良い。この場合は、チャージングダメージの発生が予想される層間絶縁膜の直下のダミー配線についてのみ、投影領域に重ならないように形成すれば良い。
【0070】
なお、本発明の半導体装置及び半導体装置の製造方法は、上記した実施の形態1及び2に限定されるものではない。例えば、実施の形態1及び2においては、CMP工程における効果を高めるため、又ルール化し易いようにするため、ダミー配線の形状は矩形としているが、本発明においてはダミー配線の形状は特に限定されるものではない。
【0071】
また、実施の形態1及び2においては、ダミー配線と活性領域との接続や、ゲート電極接続用配線とゲート電極との接続等においては、Wプラグが用いられているが、Cuプラグを用いることもできる。更に、このようなプラグを設ける代わりに、デュアルダマシン構造とすることもできる。
【0072】
また、実施の形態1及び2においては、配線はCu配線であるが、本発明はこれにも限定されず、配線は金属材料で形成されたものであれば良く、Al配線であっても良い。Al配線の場合は、配線はエッチングにより形成すれば良い。また、この場合は、ダミー配線は、エッチングを実施する前に行うリソグラフィー法におけるアライメント確認のためのアライメント用配線であっても良い。
【0073】
【発明の効果】
以上のように本発明にかかる半導体装置及び半導体装置の製造方法によれば、プラズマプロセス時の電界の印加方向に影響されずに、プラズマチャージングダメージの抑制を図り得る半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の構成を部分的に示す断面図であり、図1(a)は半導体装置を構成する半導体基板の法線方向に沿って切断した断面図、図1(b)は図1(a)に示す切断線A−A´に沿って切断した断面図である。
【図2】 本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図3】 本発明の実施形態1にかかる半導体装置を構成するトランジスタ素子の特性曲線を示す図である。
【図4】 図3に示す特性曲線の飽和領域を拡大して示す図である。
【図5】 本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の構成を部分的に示す断面図であり、図5(a)は半導体装置を構成する半導体基板の法線方向に沿って切断した断面図、図5(b)は図5(a)に示す切断線B−B´に沿って切断した断面図である。
【図6】 従来の半導体装置における層間絶縁膜の形成工程を示す断面図であり、図6(a)は半導体基板の法線方向に沿って切断した断面図、図6(b)は図6(a)に示す切断線C−C´に沿って切断した断面図である。
【符号の説明】
1 p型シリコン基板
2 素子分離
3 nウェル
4a ソース(p+)領域
4b ドレイン(p+)領域
5 活性領域(p+)
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 サイドウォール
9a〜9c、27a、27b Wプラグ
10 第1層間絶縁膜
11 第2層間絶縁膜
12a、12b、21、22、23、25、26 配線(非ダミー配線)
13、24、29、30 配線(ダミー配線)
14 プラズマ
15 投影領域
28 第3層間絶縁膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in a semiconductor device constituted by a semiconductor integrated circuit, high integration has greatly advanced. In particular, in MIS (Metal Insulated semiconductor) type semiconductor devices, in order to cope with high integration, elements such as transistors are miniaturized and enhanced in performance, and further miniaturization and higher performance are required. It has been.
[0003]
Further, in such a semiconductor device wiring formation process, the use of plasma processes such as plasma CVD and plasma etching is increasing. This is because the heat treatment amount is limited in terms of impurity diffusion and heat resistance of the metal wiring material in the wiring formation process of the semiconductor device, and the heat treatment amount can be reduced by the plasma process.
[0004]
Furthermore, in recent years, copper (Cu) wiring is sometimes introduced to improve performance. However, since the damascene method is used for forming copper (Cu) wiring, in this case, plasma is increasingly used. Increased process utilization.
[0005]
Thus, the plasma process is frequently used not only at the time of etching but also at the time of film formation, and the use of the plasma process is increasing year by year. However, as the use of plasma processes increases, device damage due to plasma processes has become apparent. This is mainly called “plasma charging damage” and has been greatly improved in recent years.
[0006]
A semiconductor device that has been subjected to such plasma charging damage is a defective product because the device characteristics deteriorate. Further, in the problem of plasma charging damage, particularly, deterioration of reliability in the gate insulating film is a serious problem.
[0007]
In order to solve such a problem, Patent Document 1 discloses a semiconductor device in which a protective diode is provided on a semiconductor substrate. In the semiconductor device disclosed in Patent Document 1, the charging current that causes plasma charging damage is released to the installation potential via the protection diode. For this reason, it is suppressed that a charging current is applied to the gate insulating film, and destruction of the gate insulating film is avoided.
[0008]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-173157 (20th paragraph, FIGS. 2 to 9)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the plasma process is performed on the semiconductor substrate on which the protective diode is formed, the following problems may occur. This problem will be described while explaining a conventional method for manufacturing a semiconductor device with reference to FIG.
[0010]
6A and 6B are cross-sectional views showing a process for forming an interlayer insulating film in a conventional semiconductor device. FIG. 6A is a cross-sectional view taken along the normal direction of the semiconductor substrate, and FIG. It is sectional drawing cut | disconnected along the cutting line CC 'shown to (a). The semiconductor device shown in FIG. 6 has a multilayer wiring structure.
[0011]
First, a
[0012]
Next, an active region (p +) 35, a source (p +)
[0013]
Further, a contact hole is formed in the first interlayer insulating film 40 and filled with tungsten to form
[0014]
The
[0015]
On the other hand, as can be seen from FIG. 6B, the
[0016]
Next, plasma is generated by a plasma CVD apparatus (not shown), and a second interlayer
[0017]
Thereafter, as shown in FIG. 6, a third interlayer
[0018]
As described above, the first interlayer insulating film 40, the second
[0019]
When such a phenomenon occurs, even if the direction of application of the electric field is the reverse direction (the direction from the silicon substrate to the plasma), the charging current from the
[0020]
However, in the example of FIG. 6, the
[0021]
For this reason, a part of the light in the ultraviolet region radiated from the plasma toward the protective diode is absorbed by the
[0022]
Therefore, when the direction of application of the electric field is opposite, a part of the charging current from the plasma does not flow through the protective diode but goes to the
[0023]
As described above, in the example shown in FIG. 6, the electric field is generated both when the second
[0024]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can solve the above problems and can suppress plasma charging damage without being affected by the direction of application of an electric field during a plasma process.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, a first semiconductor device according to the present invention is provided. Manufacturing method Is (A) a step of forming at least a MOS transistor including a stacked body of a gate insulating film and a gate electrode and an active region functioning as a protective diode on a well of the semiconductor substrate; and (b) a plasma on the semiconductor substrate. Forming a first insulating layer covering the stacked body and the active region by a plasma process using a CVD apparatus; and (c) a planarizing dummy wiring in a CMP process on the first insulating layer; A step of simultaneously forming a non-dummy wiring for electrically connecting the gate electrode and the active region using a damascene method; and (d) using a plasma CVD apparatus on the first insulating layer. Forming a second insulating layer by a plasma process, wherein in the step (c), the dummy wiring The active region so as not to overlap with the semiconductor substrate normal direction region obtained by projecting the insulation layer along a line to form said non-dummy wiring and the dummy wiring It is characterized by that.
[0032]
FIG. 5 shows the amount of light in the ultraviolet region incident on the active region functioning as a diode when the second insulating layer is formed by the plasma process when the first semiconductor device manufacturing method is used. It can be increased compared to the sixth example. Therefore, the rectifying characteristics of the diode can be greatly destroyed, and the leakage current in the positive direction in the active region can be increased. For this reason, even when the direction of application of the electric field by the plasma is reversed, the charging current from the plasma can be released to the installation potential via the diode, and the gate insulating film is formed during the plasma process. A semiconductor device can be manufactured while reducing the electrical stress received.
[0033]
In the first method for manufacturing a semiconductor device, ,in front The first insulating layer and the second insulating layer are preferably silicon oxide films or silicon nitride films.
[0034]
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a second semiconductor device according to the present invention includes: (a) a semiconductor substrate; Well of A stacked body of a gate insulating film and a gate electrode MOS transistor including When, protection Forming at least an active region functioning as a diode; and (b) on the semiconductor substrate, Using plasma CVD equipment A step of forming a base insulating layer covering the stacked body and the active region by a plasma process; and (c) the base insulating layer, For planarization in CMP processing A first dummy wiring and the gate electrode; When The active region And Electrically connected Do With the first wiring Using damascene method Forming simultaneously, (d) Using plasma CVD equipment A step of forming an insulating layer located above the base insulating layer by a plasma process; and (e) an insulating layer obtained by the step (d), For planarization in CMP processing A second dummy wiring and a second wiring electrically connected to the first wiring; Using damascene method A method of manufacturing a semiconductor device, wherein, in the step (e), the second dummy wiring includes the second active region extending along the normal direction of the semiconductor substrate. The second dummy wiring and the second wiring are formed so as not to overlap with a region obtained by projecting on the insulating layer where the dummy wiring is formed.
[0035]
When the second method for manufacturing a semiconductor device is used, when an insulating layer is further formed on the insulating layer obtained by the step (d) by a plasma process, the light enters the active region functioning as a diode. The amount of light in the ultraviolet region can be increased compared to the example of FIG. 6 shown in the prior art. Therefore, also in the second method for manufacturing a semiconductor device, the rectifying characteristics of the diode can be greatly destroyed to increase the leakage current in the positive direction in the active region, and the electrical current received by the gate insulating film during the plasma process can be increased. A semiconductor device can be manufactured while reducing unnecessary stress.
[0036]
In the second method for manufacturing a semiconductor device, ,in front The base insulating layer and the insulating layer located above the base insulating layer are preferably a silicon oxide film or a silicon nitride film.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
Hereinafter, a semiconductor device and a method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view partially showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view taken along the normal direction of a semiconductor substrate constituting the semiconductor device. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a cutting line AA ′ shown in FIG.
[0038]
As shown in FIG. 1A, the semiconductor device according to the first embodiment includes a p-type silicon substrate 1 in the same manner as the semiconductor device shown in FIG. A plurality of
[0039]
Further, between the
[0040]
The
[0041]
Further, a first
[0042]
The
[0043]
On the other hand, the
[0044]
The W plugs 9a to 9c are formed by filling tungsten in the contact holes formed in the first
[0045]
As described above, the semiconductor device according to the first embodiment has the same configuration as the semiconductor device shown in FIG. 6 in the prior art, but is different from the conventional semiconductor device as described below. Has a point.
[0046]
In the first embodiment, as shown in FIG. 1B, unlike the semiconductor device shown in FIG. 6 in the prior art, the
[0047]
The operation of the semiconductor device manufacturing method and the dummy wiring according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a step of forming the second
[0048]
First, the
[0049]
Thereafter, plasma is generated by a plasma CVD apparatus (not shown) to form the first
[0050]
Next, a contact hole in which one end portion of the active region 5 is exposed on the bottom surface, a contact hole in which the other end portion of the active region 5 is exposed on the bottom surface, and a gate on the bottom surface are formed in the first
[0051]
Thereafter, the
[0052]
Next, as shown in FIG. 2,
[0053]
As a result, in the first embodiment, even when the direction of application of the electric field is reversed, the charging current from the
[0054]
As described above, in the first embodiment, the charging current can be supplied to the protection diode regardless of the direction of application of the electric field during the plasma process. For this reason, compared with the prior art, the electrical stress which a gate insulating film receives can be reduced, and deterioration of a device characteristic can be suppressed.
[0055]
Here, the effects of the semiconductor device and the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram illustrating a characteristic curve of a transistor element included in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is an enlarged view of the saturation region of the characteristic curve shown in FIG.
[0056]
This transistor element is a p-channel MOS transistor as described above. 3 and 4, the horizontal axis represents the gate voltage, and the vertical axis represents the drain current. The drain voltage is set to 1.2 [V].
[0057]
The conventional semiconductor device shown in FIGS. 3 and 4 is the semiconductor device shown in FIG. 6, and FIG. 3 and FIG. 4 also show the characteristic curves of the p-channel MOS transistors that constitute the semiconductor device shown in FIG. Yes.
[0058]
As can be seen from FIG. 3 and FIG. 4, the transistor element constituting the semiconductor device according to the first embodiment has a driving capability improved by 5% or more compared to the transistor element constituting the conventional semiconductor device ( (Embodiment 1: 138 uA / um, conventional: 134 uA / um). This indicates that according to the first embodiment, plasma charging damage in the gate insulating film can be suppressed and device characteristics can be improved as compared with the conventional case.
[0059]
In the first embodiment, the semiconductor device may have a multilayer wiring structure. Further, for example, as shown in FIG. 6 in the prior art, when the wiring layer has two layers, the electric field application direction is expected to be reversed only when the first interlayer insulating film is formed. The dummy wiring formed in the second interlayer insulating film may be arranged at a position overlapping the projection region.
[0060]
(Embodiment 2)
Next, a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view partially showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 5A is a cross-section taken along the normal direction of the semiconductor substrate constituting the semiconductor device. FIG. 5 and FIG. 5B are cross-sectional views taken along the cutting line BB ′ shown in FIG. In FIG. 5, the parts denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. 1 are the same as those shown in FIG. 1.
[0061]
As shown in FIGS. 5A and 5B, also in the semiconductor device according to the second embodiment, wirings 21 to 24 and 29 are provided in the first
[0062]
However, in the second embodiment, unlike the first embodiment, the
[0063]
Note that the layout of the
[0064]
On the other hand, in the second embodiment, wirings 25 and 26 that are non-dummy wirings and
[0065]
Further, as shown in FIG. 5B, the
[0066]
Therefore, in the third embodiment, unlike the example described with reference to FIG. 6 in the prior art, the third interlayer insulating film 28 is formed by the dummy wiring (wiring 29) formed in the second
[0067]
Therefore, in the second embodiment, the electric field is applied in the opposite direction both when the second
[0068]
In addition, assuming charging damage when forming an interlayer insulating film formed on the wiring located in the upper layer, it is not possible to prevent the dummy wiring located in a lower layer than the wiring from overlapping the projection area. More man-hours are required than necessary for mask data and design rule check for wiring formation, which is not efficient. Therefore, in the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment, in particular, when the third interlayer insulating film 28 is formed, the application direction of the electric field is reversed or the possibility thereof. Effective when is high.
[0069]
In the second embodiment, the case where the interlayer insulating film provided with the wiring has two layers has been described. However, the second embodiment is not limited to this, and the interlayer provided with the wiring is not limited thereto. There may be three or more insulating films. In this case, only the dummy wirings directly under the interlayer insulating film where charging damage is expected to occur may be formed so as not to overlap the projection region.
[0070]
The semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention are not limited to the first and second embodiments described above. For example, in
[0071]
In the first and second embodiments, the W plug is used for the connection between the dummy wiring and the active region, the connection between the gate electrode connection wiring and the gate electrode, etc., but the Cu plug is used. You can also. Further, instead of providing such a plug, a dual damascene structure may be used.
[0072]
In the first and second embodiments, the wiring is a Cu wiring, but the present invention is not limited to this, and the wiring may be formed of a metal material, and may be an Al wiring. . In the case of Al wiring, the wiring may be formed by etching. In this case, the dummy wiring may be an alignment wiring for alignment confirmation in a lithography method performed before etching.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor device and the manufacturing method of the semiconductor device according to the present invention, the semiconductor device and the manufacturing method thereof that can suppress the plasma charging damage without being affected by the direction of application of the electric field during the plasma process. Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view partially showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view taken along a normal direction of a semiconductor substrate constituting the semiconductor device. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a cutting line AA ′ shown in FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a characteristic curve of a transistor element included in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
4 is an enlarged view of a saturation region of the characteristic curve shown in FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view partially showing a configuration of a semiconductor device according to a second exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 5A is a cross section cut along a normal direction of a semiconductor substrate constituting the semiconductor device; FIG. 5 and FIG. 5B are cross-sectional views taken along the cutting line BB ′ shown in FIG.
6A and 6B are cross-sectional views illustrating a process for forming an interlayer insulating film in a conventional semiconductor device, in which FIG. 6A is a cross-sectional view taken along the normal direction of the semiconductor substrate, and FIG. It is sectional drawing cut | disconnected along the cutting line CC 'shown to (a).
[Explanation of symbols]
1 p-type silicon substrate
2 element isolation
3 n-well
4a Source (p +) region
4b Drain (p +) region
5 Active region (p +)
6 Gate insulation film
7 Gate electrode
8 Sidewall
9a-9c, 27a, 27b W plug
10 First interlayer insulating film
11 Second interlayer insulating film
12a, 12b, 21, 22, 23, 25, 26 Wiring (non-dummy wiring)
13, 24, 29, 30 Wiring (dummy wiring)
14 Plasma
15 Projection area
28 Third interlayer insulating film
Claims (4)
(b)前記半導体基板上に、プラズマCVD装置を用いたプラズマプロセスによって、前記積層体及び前記活性領域を被覆する第1の絶縁層を形成する工程と、
(c)前記第1の絶縁層に、CMP処理における平坦化用ダミー配線と、前記ゲート電極と前記活性領域とを電気的に接続する非ダミー配線とをダマシン法を用いて同時に形成する工程と、
(d)前記第1の絶縁層の上に、プラズマCVD装置を用いたプラズマプロセスによって、第2の絶縁層を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記(c)の工程において、前記ダミー配線が、前記活性領域を前記半導体基板の法線方向に沿って前記絶縁層に投影して得られる領域と重ならないように、前記ダミー配線と前記非ダミー配線とを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。(A) forming at least a MOS transistor including a stacked body of a gate insulating film and a gate electrode and an active region functioning as a protection diode on a well of a semiconductor substrate;
(B) on the semiconductor substrate, by a plasma process using a plasma CVD apparatus, forming a first insulating layer covering the laminate and the active region,
(C) simultaneously forming a planarization dummy wiring in a CMP process and a non-dummy wiring electrically connecting the gate electrode and the active region on the first insulating layer using a damascene method ; ,
(D) on the first insulating layer, by a plasma process using a plasma CVD device, a manufacturing method of a semiconductor device having a step of forming a second insulating layer,
In the step (c), the dummy wiring and the non-dummy are arranged so that the dummy wiring does not overlap with a region obtained by projecting the active region onto the insulating layer along the normal direction of the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a wiring.
(b)前記半導体基板上に、プラズマCVD装置を用いたプラズマプロセスによって、前記積層体及び前記活性領域を被覆する下地絶縁層を形成する工程と、
(c)前記下地絶縁層に、CMP処理における平坦化用の第1のダミー配線と、前記ゲート電極と前記活性領域とを電気的に接続する第1の配線とをダマシン法を用いて同時に形成する工程と、
(d)プラズマCVD装置を用いたプラズマプロセスによって、前記下地絶縁層の上層に位置する絶縁層を形成する工程と、
(e)前記(d)の工程によって得られた絶縁層に、CMP処理における平坦化用の第2のダミー配線と、前記第1の配線に電気的に接続される第2の配線とをダマシン法を用いて同時に形成する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記(e)の工程において、前記第2のダミー配線が、前記活性領域を前記半導体基板の法線方向に沿って前記第2のダミー配線の形成される前記絶縁層に投影して得られる領域と重ならないように、前記第2のダミー配線と前記第2の配線とを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。(A) forming at least a MOS transistor including a stacked body of a gate insulating film and a gate electrode and an active region functioning as a protection diode on a well of a semiconductor substrate;
(B) forming a base insulating layer covering the stacked body and the active region on the semiconductor substrate by a plasma process using a plasma CVD apparatus ;
(C) A first dummy wiring for planarization in a CMP process and a first wiring for electrically connecting the gate electrode and the active region are simultaneously formed on the base insulating layer using a damascene method. And a process of
(D) forming an insulating layer positioned above the base insulating layer by a plasma process using a plasma CVD apparatus ;
(E) the insulating layer obtained by a process of (d), a damascene and a second dummy wiring for planarization in the CMP process, and a second wiring electrically connected to said first wiring A method of manufacturing a semiconductor device having a step of simultaneously forming using a method,
In the step (e), the second dummy wiring is obtained by projecting the active region onto the insulating layer where the second dummy wiring is formed along the normal direction of the semiconductor substrate. Forming the second dummy wiring and the second wiring so as not to overlap each other.
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