JP2001203327A - 容量素子と抵抗素子とを有する電子部材の製造方法、半導体装置の製造方法、及び半導体装置 - Google Patents

容量素子と抵抗素子とを有する電子部材の製造方法、半導体装置の製造方法、及び半導体装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 容量素子材料として優れ、それ以外の用途に
ついても好適な利用分野がある材料が見出せ、該材料に
より効率的に該双方の用途適性を発揮できる部材が得ら
れる技術を提供する。 【解決手段】 容量素子と抵抗素子とを有する電子部
材の製造方法で、同一材料からなる材料層(CVD酸化
タンタル膜等)に、窒化と酸化等、それぞれ異なる処理
を施すことにより容量素子と抵抗素子とを形成する。
容量素子と抵抗素子とを有する半導体装置の製造方法
で、同一材料からなる材料層にそれぞれ異なる処理を施
すことにより容量素子と抵抗素子とを形成する。容量
素子1と抵抗素子2とを有する半導体装置で、同一材料
からなる材料層をそれぞれ異なる処理で処理することに
より形成した容量素子と抵抗素子とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、容量素子と抵抗素
子とを有する電子部材の製造方法、該製造方法を利用し
た半導体装置の製造方法、及び該半導体装置の製造方法
によって得られる半導体装置に関する。本発明は特に、
容量素子と抵抗素子との形成過程に改良を施したもので
あり、本発明はたとえば、金属等の電極の間に位置する
容量素子、及び金属等の電極の間に位置する抵抗素子を
備えた電子部材や半導体装置の分野で好適に利用するこ
とができる。
【0002】
【従来の技術】従来より、容量素子を有する電子部材は
各種知られている。また、容量素子と抵抗素子とをとも
に有する電子部材も各種知られている。たとえば受動素
子として容量素子と抵抗素子とを有するLSI等の半導
体装置が知られている。
【0003】従来のこの種のものの一例を図10に示
す。基板3たとえばシリコン等の半導体基板上に層間絶
縁膜41,42を介して第1配線5が形成され、さらに
配線間層間絶縁膜7を介して第2配線8が形成されてい
る。
【0004】ここで、図示従来例では、下層の層間絶縁
膜41上に抵抗素子2aが形成され、これは第1配線5
と同一層から形成された電極により接続されて、抵抗と
して機能している。また、上層の層間絶縁膜42上に誘
電体をなす容量素子1aが形成され、これは第1配線5
と第2配線6との間に挟まれて、つまり第1配線5が下
部電極となり第2配線6が上部電極となって、キャパシ
タを構成している。
【0005】従来、容量素子1aと抵抗素子2aとは独
立に形成され、かつ図示のように、別層により構成され
ているのが通例である。
【0006】一方近年、LSI等の半導体装置では、一
層の高集積化の要請から、容量素子の高容量化を目的と
して、各種の高誘電率の誘電体材料の開発が行われてい
る。たとえば、Ta25 やPZT,BST,STO等
を代表とする誘電体材料の開発が盛んに行われている。
その中でもTa25 (五酸化タンタル)は実用段階に
あり、デバイスへの搭載も開始されている。
【0007】ところで、従来の典型的な容量素子材料で
あるSiN(シリコンナイトライド)は、容量素子とし
ての用途以外にも、素子分離技術用材料や保護膜として
の用途があったため、設備投資に対する負荷率及びプロ
セス導入における付加価値は十分あったものと言える。
【0008】しかし上述した新材料の場合、すべてが必
ずしも容量素子材料以外の用途についても適するか否か
は不明である。容量素子材料として優れるものは、容量
素子の性能そのものがLSI等の付加価値を決定するた
とえばメモリー系LSI等については、たしかにそれだ
けで十分な付加価値となり得るが、容量素子が受動素子
の一部とみなされる電子部材、たとえばシステムLSI
やミックスシグナル系LSI、MMIC系等では、必ず
しもその開発が付加価値をもたらすとは限らない。この
ため、新材料の導入に際しては、プロセス及び設備導入
コストに対する容量素子性能向上も含めた総合的な付加
価値としては、慎重にならざるを得ない傾向が出るの
も、あながち理由の無いことではない。
【0009】このため本発明者は種々検討を重ね、容量
素子材料として優れる上、容量素子材料以外の用途につ
いても好適な利用分野がある材料を用いて、しかも容易
かつ適正にかかる材料を用いた技術を提供し得ないかど
うか研究を続けた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した背
景でなされたもので、容量素子材料として優れ、かつ容
量素子材料以外の用途についても好適な利用分野がある
材料を見出すとともにこれを用いて、この材料により効
率的にその双方の用途適性を発揮できる部材が得られる
技術を提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明においては、同一材料をそれぞれ異なる処理
で処理することにより容量素子を形成することも、抵抗
素子を形成することも可能である材料を採用する。
【0012】基本的に本発明は、容量素子材料として
も、容量素子材料以外の何らかの材料としても好適な材
料を見い出す過程において、同一材料を処理することで
上記のように複数の用途の材料となり得るものは無いか
を検討し、かつこの場合に、容量素子材料以外の用途と
して抵抗素子を形成することを想到して、本発明をなす
に至ったものである。本発明は本発明者による上記知見
に基づくものである。
【0013】本発明に係る容量素子と抵抗素子とを有す
る電子部材の製造方法は、容量素子と抵抗素子とを有す
る電子部材の製造方法であって、同一材料からなる材料
層にそれぞれ異なる処理を施すことにより前記容量素子
と前記抵抗素子とを形成することを特徴とするものであ
る。また、本発明に係る容量素子と抵抗素子とを有する
電子部材の製造方法は、容量素子と抵抗素子とを有する
電子部材の製造方法であって、酸化タンタル膜に、容量
素子領域には酸素を、抵抗素子領域には窒素をそれぞれ
分けて注入し、素子を分離形成することを特徴とするも
のである。
【0014】本発明に係る半導体装置の製造方法は、容
量素子と抵抗素子とを有する半導体装置の製造方法であ
って、同一材料からなる材料層にそれぞれ異なる処理を
施すことにより前記容量素子と前記抵抗素子とを形成す
ることを特徴とするものである。また、本発明に係る半
導体装置の製造方法は、容量素子と抵抗素子とを有する
半導体装置の製造方法であって、酸化タンタル膜に、容
量素子領域には酸素を、抵抗素子領域には窒素をそれぞ
れ分けて注入し、素子を分離形成するものである。
【0015】本発明に係る半導体装置は、容量素子と抵
抗素子とを有する半導体装置であって、同一材料からな
る材料層をそれぞれ異なる処理で処理することにより形
成した容量素子と抵抗素子とを有することを特徴とする
ものである。
【0016】この発明によれば、同一材料からなる材料
層を処理することにより容量素子と抵抗素子とを形成す
るので、容量素子についてのみではなく、抵抗素子にも
その同一材料を用いることで、開発の付加価値を高める
ことができる。かつ、同一材料の材料層を処理すること
で容量素子と抵抗素子とを形成するので、効率のよい素
子形成を実現できる。
【0017】たとえば、代表的には、高誘電体材料とし
て開発されているTa(タンタル)は、酸化により絶縁
性を持ち、窒化により抵抗として使用できる導電性を持
つという性質があるので、これを利用して、たとえば同
一レイヤーに容量素子と抵抗素子とを形成するするよう
にして、タンタル化合物層形成プロセス(Ta25
ロセス)の付加価値(性能/コスト比)を高めることが
できる。さらにはこの場合、窒化タンタル抵抗体は従来
の抵抗体より比較的容易に高シート抵抗が得られるた
め、素子の縮小・小型化が可能であり、高集積化にも有
利と言える。
【0018】そのほか上記と同様に、処理により容量素
子材料となり、あるいは抵抗素子材料となり得る材料を
用いて、同様な効果を得ることができる。
【0019】なお特開平8−293949号公報には、
キャパシタ膜であるTa25 膜が発熱抵抗体であるT
aN08 膜の成膜と同時に成膜され、その後パターニ
ング及び陽極酸化でキャパシタ膜とされる旨の技術が記
載されているが、これは同一材料層をそれぞれ異なる処
理で処理することでキャパシタ膜と抵抗体とを得る技術
ではなく、本発明とは構成上の著差を有するものであ
る。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
てさらに説明し、また、図面を参照して本発明の好まし
い実施の形態例を説明する。但し当然のことではある
が、本発明は以下の説明及び図示の形態例により限定を
受けるものではない。
【0021】本発明の実施においては、同一材料からな
る材料層を酸化タンタル膜とし、容量素子を五酸化タン
タル、抵抗素子を酸窒化タンタルとすることができる。
【0022】また、酸化タンタル膜に、容量素子領域に
は酸素を、抵抗素子領域には窒素をそれぞれ分けて注入
し、素子を分離形成する構成とすることができる。この
場合に、酸素及び窒素の注入に、プラズマドーピング法
を用いることができる。また、酸素の注入には、O2
3 ,N2 OまたはH22 (任意の2以上の混合でも
よい)を用い、窒素の注入には、N2 ,NH3 またはN
22 (任意の2以上の混合でもよい)のガスを用いる
ことができる。
【0023】本発明の実施において、容量素子と抵抗素
子とは受動素子である態様をとることができる。この場
合、受動素子である該容量素子と抵抗素子の形成は、能
動素子形成工程以降とすることが好ましい。
【0024】以下、同一レイヤーに可能な限り短工程で
容量素子と抵抗素子を形成すべく、これを可能とする材
料層を選択し、かつ、処理として酸化手段、及び窒化手
段を採用するとともに、該酸化手段、及び窒化手段の適
正な導出を試みてこれを実現した本発明の好ましい実施
の形態の具体例について、説明する。
【0025】実施の形態例1 この実施の形態例は、容量素子と抵抗素子とを有する電
子部材である半導体装置、特に微細化・集積化したLS
Iについて、本発明を適用した。特に本実施の形態例で
は、MIM構造(金属電極−誘電体である絶縁材−金属
電極)の容量素子を形成するとともに、併せて抵抗素子
を形成するようにしたもので、容量素子と抵抗素子は、
形成手順に差はあるが、同一レイヤー(同一成膜層)に
形成されるものである。両者(容量素子と抵抗素子)
は、たとえば第2電極のみを経て連結される構成をとり
得る。
【0026】すなわち本実施の形態例に係る半導体装置
は、図1に示すように、基板3たとえばシリコン等の半
導体基板上に層間絶縁膜4を介して第1配線5が形成さ
れ、さらに層間絶縁膜6及び配線間層間絶縁膜7を介し
て第2配線8が形成されている。誘電体をなす容量素子
1は、層間絶縁膜6に開設された開口をおおう形で形成
され、第1配線5と第2配線8との間に挟まれて、つま
り第1配線5が下部電極となり第2配線8が上部電極と
なる構成で、キャパシタを構成している。
【0027】抵抗素子2は層間絶縁膜6に形成され、こ
の抵抗素子2と上記誘電体をなす容量素子1とは、いず
れも第2配線8と接続され、すなわち本例では両者は第
2配線8のみを経て連結される構成をとっている。
【0028】この抵抗素子2は、上記誘電体をなす容量
素子1と同一の材料層を処理して形成されたものであ
る。層間絶縁膜6を形成後、これをパターニングして容
量素子1用の開口を形成し、その後抵抗素子2及び容量
素子1形成用の材料層(本例ではCVD酸化タンタル
層)を形成し、一方は窒化処理をして抵抗素子2用に加
工し、他方は酸化処理をして容量素子1用に加工する。
具体的な形成方法は、次に述べる実施の形態例2の説明
において述べるので、それに準じて実施すればよい。
【0029】基本的には本実施の形態例では、素子形成
層の材料をCVD酸化タンタルとし、素子形成層成膜後
に、容量素子部には酸素を選択的に注入しさらに酸化さ
せることで五酸化タンタルとし、抵抗素子部には窒素を
選択的に注入し窒化させることで酸窒化タンタルとし
た。さらに、酸化タンタル材料層と上部電極(配線)と
の層間分離(本例ではシリコン酸化膜)の開口方法を工
夫して、性能/コスト比の向上を実現するようにした。
【0030】実施の形態例2 この実施の形態例も、実施の形態例1と同様な、容量素
子と抵抗素子とを有する電子部材である半導体装置、特
に微細化・集積化したLSIについて、本発明を適用し
たものである。
【0031】すなわち本実施の形態例に係る半導体装置
の構造を、図2に示す。図示のように、本例において
は、基板3たとえばシリコン等の半導体基板上に層間絶
縁膜4が形成され、その上に抵抗素子2、及び第1配線
5が形成され、さらに配線間層間絶縁膜7を介して第2
配線8が形成されるとともに、誘電体をなす容量素子1
は第1配線5上において、配線間層間絶縁膜7に開設さ
れた開口を跨ぐ形で形成され、第1配線5と第2配線8
との間に挟まれて、つまり第1配線5が下部電極となり
第2配線8が上部電極となる構成で、キャパシタを構成
している。
【0032】この抵抗素子2は、上記誘電体をなす容量
素子1と同一の材料層を処理して形成されたものであ
る。本例の構造の形成方法を、以下図3ないし図9を参
照して詳述する。
【0033】本例の半導体装置においては容量素子と抵
抗素子とは受動素子であり、能動素子は、先に形成され
ている。
【0034】すなわち図3に示すのは、能動素子(図示
せず)の形成が終了したのち、第1配線5の形成を行っ
たときの状態である。図示してあるのは、容量素子及び
抵抗素子を形成すべき部位の様子である。
【0035】次に、抵抗素子形成部の第1配線5を除去
する。さらに、酸化タンタル膜9を薄膜状に成膜する
(図4)。この時、酸化タンタル膜9は、CVD法で形
成される。
【0036】その後、該酸化タンタル膜9を、容量素子
部91と抵抗素子部92を残して除去する。さらに容量
素子部91をレジスト10で保護する(図5)。
【0037】次に、抵抗素子を形成すべく、窒素を抵抗
素子部92に注入し、この抵抗素子部92における酸化
タンタル膜を酸窒化タンタル膜とする(図6)。この
時、容量素子部91をレジスト10で保護されているの
で、窒素は注入されない。窒素はラジカルの形で抵抗素
子部92における酸化タンタル膜をアタックすると考え
られる。
【0038】次に、容量素子部91を保護するレジスト
10を除去し、その後、配線間層間絶縁膜7を形成する
(図7)。さらに、該配線間層間絶縁膜7の容量素子部
91に該当する部分を開口する。
【0039】該容量素子部91に酸素を注入し、容量素
子部91構成している酸化タンタル膜を五酸化タンタル
膜とする(図8)。酸素は上記配線間層間絶縁膜7の開
口からのみ注入されるので、容量素子部91だけがこの
酸素の注入で酸化され、配線間層間絶縁膜7に覆われて
いる抵抗素子部92には影響はない。酸素はラジカルの
形で容量素子部91における酸化タンタル膜をアタック
すると考えられる。この段階で、容量素子1と抵抗素子
2の形成は完了となる。
【0040】次に第2配線8の形成を行って、図9の構
造を得る。これは図2に示した最終構造と対応するもの
である。
【0041】ここで、各素子1,2の元となる酸化タン
タル膜9は、一般的にCVD法で成膜されるが、膜質と
しては完全な五酸化タンタル膜ではなく、また成膜材料
中に含まれる炭素や水、水素といった不純物が少ない、
単に酸素が欠乏している酸化タンタル膜であることが望
ましい。
【0042】抵抗素子2形成のための窒化(図6)にお
いては、窒素(N2 )、アンモニア(NH3 )、ヒドラ
ジン(N22 )のいずれか、または混合ガスを用いた
プラズマ照射処理で行うことが好ましい。一般的には窒
素、またはアンモニアを用いて好ましく実施できるが、
ヒドラジンを用いた場合、酸化タンタルに対する還元作
用と、窒化作用とが相まって、最も効率的に窒化を行う
ことができる。ただしヒドラジンには、毒性の問題があ
り、容易に取り扱えないと言う点があるので、留意を要
する。
【0043】プラズマ発生源としては、一般的な平行平
板型、ICP、TCP、ヘリコン等、方式は問わない。
高密度で、かつある程度バイアスがかけられる方式のも
のが効果的で、好ましい。
【0044】容量素子1形成のための酸化(図8)にお
いては、酸素(O2 )、オゾン(O 3 )、亜酸化窒素
(N2 O)、過酸化水素(H22 )のいずれか、また
は混合ガスを用いたプラズマ照射処理で行うことが好ま
しい。ただしオゾンについては、それ自身活性であるた
め、単に照射するだけでも効果を得ることは可能であ
る。可能であれば、オゾン照射処理、もしくは酸素によ
る高密度プラズマ照射処理が好ましいと言える。
【0045】具体的な実施の形態としては、CVD法で
酸化タンタル膜9を30nm成膜し(図4)、そのの
ち、平行平板型プラズマ処理装置によってアンモニアプ
ラズマを14分間照射する(図6)。これによって、C
VD成膜後ほとんど絶縁性を示していた膜が、おおむね
8〜10kΩ/□のシート抵抗を得ることができてい
る。また、同じ酸化タンタル膜にオゾン(O3 )照射処
理を10分間行うことで、単位容量7fF/μm2 、漏
れ電流密度1E−8A/cm2 (5Vにおける)を実現
している。なお各部形成に使用できる材料としては、各
層間絶縁膜としてプラズマTEOS−SiO2 (または
NSG)、PE−TEOS−SiO2 等を挙げることが
でき、第1,第2配線の材料としては、アルミニウム
(Al)、アルミニウム−シリコン合金(Al−S
i)、アルミニウム−銅合金(Al−Cu)等を挙げる
ことができる。これらは各部分における各材料について
の一般的な形成条件により作成することができる。
【0046】上記詳述したように、本発明を実施するこ
とにより、酸化タンタル使用技術の付加価値が向上し、
特にたとえば酸化タンタルCVD技術の付加価値を向上
させることができる。これにより、容量素子材料として
優れ、かつ容量素子材料以外の用途である抵抗素子形成
が可能な材料についての付加価値が向上し、かかる材料
についての設備投資その他新材料の導入に関し、積極的
に対応できるようになる。また、従来の抵抗素子、たと
えばポリシリコン抵抗よりも、比較的に高抵抗な抵抗素
子を容易に形成できる。その結果、抵抗素子の専有面積
が縮小可能で、高集積化に有利となる。さらに抵抗素子
を、容量素子や誘導素子といった他の受動素子と同じ形
成層で素子形成することが可能となるため、寄生成分が
減少し、また、構成を単純化できることで、回路設計が
容易になるという利点ももたらされる。
【0047】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、容量
素子材料として優れ、かつ容量素子材料以外の用途につ
いても好適な利用分野がある材料を見出すことができ、
これを用いて、この材料により容量素子材料としても抵
抗素子材料としても、効率的にその双方の用途適性を発
揮できる部材が得られ、かかる材料の付加価値を高める
ことができ、新材料についての設備投資その他該材料の
導入に積極的に対応できるようになるという大きな効果
が得られ、またさらに上記例示説明したごとく、具体的
な数々の効果を発揮できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態例1に係る電子部材(半
導体装置)の構造を示す断面図である。
【図2】 本発明の実施の形態例2に係る電子部材(半
導体装置)の構造を示す断面図である。
【図3】 本発明の実施の形態例2の処理工程を順に断
面図で示すものである(a)
【図4】 本発明の実施の形態例2の処理工程を順に断
面図で示すものである(b)
【図5】 本発明の実施の形態例2の処理工程を順に断
面図で示すものである(c)
【図6】 本発明の実施の形態例2の処理工程を順に断
面図で示すものである(d)
【図7】 本発明の実施の形態例2の処理工程を順に断
面図で示すものである(e)
【図8】 本発明の実施の形態例2の処理工程を順に断
面図で示すものである(f)
【図9】 本発明の実施の形態例2の処理工程を順に断
面図で示すものである(g)
【図10】 従来例の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
I・・・容量素子、2・・・抵抗素子、3・・・基板
(シリコン基板)、4・・・層間絶縁膜、5・・・第1
配線、6・・・層間絶縁膜、7・・・配線間層間絶縁
膜、8・・・第2配線、9・・・異なる処理を施すこと
により容量素子と抵抗素子とが形成できる材料(酸化タ
ンタル膜)、91・・・容量素子部、92・・・抵抗素
子部。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 容量素子と抵抗素子とを有する電子部材
    の製造方法であって、 同一材料からなる材料層にそれぞれ異なる処理を施すこ
    とにより前記容量素子と前記抵抗素子とを形成すること
    を特徴とする容量素子と抵抗素子とを有する電子部材の
    製造方法。
  2. 【請求項2】 前記同一材料からなる材料層を酸化タン
    タル膜とし、前記容量素子を五酸化タンタル、前記抵抗
    素子を酸窒化タンタルとすることを特徴とする請求項1
    に記載の容量素子と抵抗素子とを有する電子部材の製造
    方法。
  3. 【請求項3】 容量素子と抵抗素子とを有する電子部材
    の製造方法であって、 酸化タンタル膜に、容量素子領域には酸素を、抵抗素子
    領域には窒素をそれぞれ分けて注入し、素子を分離形成
    することを特徴とする容量素子と抵抗素子とを有する電
    子部材の製造方法。
  4. 【請求項4】 酸素及び窒素の注入に、プラズマドーピ
    ング法を用いることを特徴とする請求項3に記載の容量
    素子と抵抗素子とを有する電子部材の製造方法。
  5. 【請求項5】 酸素の注入には、O2 ,O3 ,N2 Oま
    たはH22 を用い、窒素の注入には、N2 ,NH3
    たはN22 のガスを用いることを特徴とする請求項3
    に記載の容量素子と抵抗素子とを有する電子部材の製造
    方法。
  6. 【請求項6】 容量素子と抵抗素子とを有する半導体装
    置の製造方法であって、 同一材料からなる材料層にそれぞれ異なる処理を施すこ
    とにより前記容量素子と前記抵抗素子とを形成すること
    を特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記同一材料からなる材料層を酸化タン
    タル膜とし、前記容量素子を五酸化タンタル、前記抵抗
    素子を酸窒化タンタルとすることを特徴とする請求項6
    に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記容量素子と抵抗素子とは受動素子で
    あり、該容量素子と抵抗素子の形成は能動素子形成工程
    以降とすることを特徴とする請求項6に記載の半導体装
    置の製造方法。
  9. 【請求項9】 容量素子と抵抗素子とを有する半導体装
    置の製造方法であって、 酸化タンタル膜に、容量素子領域には酸素を、抵抗素子
    領域には窒素をそれぞれ分けて注入し、素子を分離形成
    することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項10】 酸素及び窒素の注入に、プラズマドー
    ピング法を用いることを特徴とする請求項9に記載の半
    導体装置の製造方法。
  11. 【請求項11】 酸素の注入には、O2 ,O3 ,N2
    またはH22 を用い、窒素の注入には、N2 ,NH3
    またはN22 のガスを用いることを特徴とする請求項
    9に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 【請求項12】 容量素子と抵抗素子とを有する半導体
    装置であって、 同一材料からなる材料層をそれぞれ異なる処理で処理す
    ることにより形成した容量素子と抵抗素子とを有するこ
    とを特徴とする半導体装置。
  13. 【請求項13】 前記同一材料からなる材料層は酸化タ
    ンタル膜であり、前記容量素子は五酸化タンタルからな
    り、前記抵抗素子は酸窒化タンタルからなることを特徴
    とする請求項12に記載の半導体装置。
  14. 【請求項14】 前記容量素子と抵抗素子とは受動素子
    であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装
    置。
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