JP2003142593A - 金属−絶縁体−金属キャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造方法 - Google Patents
金属−絶縁体−金属キャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造方法Info
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Abstract
配線構造を有する半導体素子の製造方法を提供する。 【解決手段】 半導体基板90上の下部絶縁膜100内
に第1金属配線115及び第2金属配線120を形成
し、第2金属配線120の上面を露出させるホール領域
を有する第1絶縁膜125及び第2絶縁膜130を順次
形成する。ホール領域の内壁及び底面に誘電膜135を
形成して第2絶縁膜120の上面と段差無しにホール領
域を完全に埋め込むキャパシタ上部電極140aを形成
する。上部電極140a上に第3絶縁膜143及び第4
絶縁膜145を形成し、第4、第3、第2及び第1絶縁
膜を貫通して第1金属配線115の上面に接触するダマ
シン配線構造と、第4及び第3絶縁膜を貫通して上部電
極140aの上面に接触するコンタクトプラグとを形成
する。
Description
法に係り、特に、金属−絶縁体−金属(Metal−I
nsulator−Metal;以下、MIM)キャパ
シタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造方
法に関する。
金属配線工程は半導体素子の性能及び信頼性を決める上
でその役割がますます重要になりつつある。今までは配
線材料としてアルミニウム(Al)が多用されてきてい
る。Alは比抵抗が3〜4μΩcmと比較的に低く、加
工工程が容易であるという長所がある。しかし、配線の
線幅が細くなるのに伴って、配線材料としてAlよりも
比抵抗が低い物質が要求されている。
1.7μΩcmと低いため、超高速集積回路においてA
lに代わりうる配線材料として最も有望である。そし
て、Cuはエレクトロマイグレーション抵抗性に優れて
いるという長所もある。このため、Cu配線を形成すれ
ば、配線の断面積が狭まっても、半導体素子の動作速度
及び信頼性は維持可能になる。
技術によって直接パターニングすることが難しいため、
Cu配線を形成するために主としてデュアルダマシン工
程が用いられている。
トリソグラフィ技術によってパターニングを行い、層間
絶縁膜を形成する。しかし、ダマシン工程では層間絶縁
膜を先に形成した後、金属配線領域及びビアに当たるト
レンチを形成して金属を埋め込む。特に、2回の写真工
程及び2回のエッチング工程を行って金属配線領域トレ
ンチ及びビアトレンチを形成した後、金属蒸着及び化学
機械的研磨(以下、CMP)工程を経て金属配線領域及
びビアを形成することをデュアルダマシン工程と呼ぶ。
ン工程を適用すれば、金属配線間にMIMキャパシタが
必要とされる半導体素子の場合、新しい形成方法が要求
される。
及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造方法を
説明するための断面図である。
に形成されている下部絶縁膜10上に前記下部絶縁膜1
0と段差無しに第1金属配線15及び第2金属配線20
を形成する。前記第1金属配線15及び第2金属配線2
0が形成された結果物である前記半導体基板1上に金属
膜を形成した後、これをパターニングして前記第2金属
配線20の上面に接触するキャパシタ下部電極25を形
成する。前記下部電極25が形成された前記半導体基板
1上に誘電膜30を形成する。前記誘電膜30上に他の
金属膜を形成した後、これをパターニングして前記下部
電極25と対応する位置にキャパシタ上部電極35を形
成する。前記上部電極35が形成された前記半導体基板
1上に層間絶縁膜40を形成する。
上面をCMPして平坦化させる。次に、前記層間絶縁膜
40及び誘電膜30をエッチングして前記第1金属配線
15の上面を露出させるビアホールV1を形成する。前
記ビアホールV1の上部に第1トレンチT1を形成し、
前記上部電極35の上面を露出させる第2トレンチT2
を形成する。次に、前記ビアホールV1と第1及び第2
トレンチT1,T2にCuを埋め込んでCMPを行い、
ダマシン配線構造45及びコンタクトプラグ50を形成
する。
うな問題点を抱いている。
に前記他の金属膜をパターニングする段階において、前
記誘電膜30がプラズマによって損傷される恐れがあ
る。これにより、MIMキャパシタの性能が落ちるとい
う問題がある。
5の厚さだけできた段差を縮めるために、前記層間絶縁
膜40の上面をCMPする段階を必ず導入する必要があ
る。すなわち、Cu配線のためのCuのCMP及び層間
絶縁膜のCMPをさらに取り入れる必要があるのであ
る。
する技術的課題は、誘電膜を損傷しないMIMキャパシ
タ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造方法
を提供することである。
術的課題は、層間絶縁膜のCMPが必要ないMIMキャ
パシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造
方法を提供することである。
るために、本発明に係るMIMキャパシタ及びダマシン
配線構造を有する半導体素子の製造方法では、半導体基
板上の下部絶縁膜内に第1金属配線及び第2金属配線を
形成する。前記第1金属配線及び第2金属配線が形成さ
れた前記半導体基板上に前記第2金属配線の上面を露出
させるホール領域を有する第1絶縁膜及び第2絶縁膜を
順次に形成する。前記ホール領域の内壁及び底面に誘電
膜を形成して前記第2絶縁膜の上面と段差無しに前記ホ
ール領域を完全に埋め込むキャパシタ上部電極を形成す
る。前記上部電極が形成された前記半導体基板上に第3
絶縁膜及び第4絶縁膜を順次に形成する。前記第4、第
3、第2及び第1絶縁膜を貫通して前記第1金属配線の
上面に接触するダマシン配線構造と、前記第4及び第3
絶縁膜を貫通して前記上部電極の上面に接触するコンタ
クトプラグを形成する。
て、前記キャパシタ上部電極を形成する段階は、前記第
2絶縁膜の上面、前記ホール領域の内壁及び底面に誘電
膜を形成する段階と、前記誘電膜が形成された前記半導
体基板上に前記ホール領域を完全に埋め込む第2金属膜
を形成する段階、及び前記第2絶縁膜の上面が露出され
るように前記第2金属膜が形成された前記半導体基板の
上面を平坦化させる段階を含むことができる。ここで、
前記第2金属膜の上面を平坦化させる段階は、CMPに
よって行われることが望ましい。前記第2金属膜として
Ta膜、TaN膜、TaSiN膜、TiN膜、TiSi
N膜、WN膜、WSiN膜、及びこれらの組み合わせよ
りなる群から選ばれたいずれか一つを形成することがで
きる。又、前記第2金属膜としてTa膜とCu膜との2
重膜、TaN膜とCu膜との2重膜、及びTa膜とTa
N膜とCu膜との3重膜よりなる群から選ばれたいずれ
か一つを形成することもできる。
ン配線構造を有する他の半導体素子の製造方法では、半
導体基板上の下部絶縁膜内に第1金属配線及び第2金属
配線を形成する。前記第1金属配線及び第2金属配線が
形成された前記半導体基板上に前記第2金属配線の上面
を露出させるホール領域を有する第1絶縁膜及び第2絶
縁膜を順次に形成する。前記ホール領域の内壁及び底面
に誘電膜を形成して前記第2絶縁膜の上面と段差無しに
前記ホール領域を完全には埋め込まない厚さにキャパシ
タ上部電極を形成する。前記上部電極が形成された前記
半導体基板上に第3絶縁膜及び第4絶縁膜を順次に形成
する。前記第4、第3、第2及び第1絶縁膜を貫通して
前記第1金属配線の上面に接触するダマシン配線構造
と、前記第4及び第3絶縁膜を貫通して前記上部電極の
上面に接触するコンタクトプラグとを形成する。
おいて、前記キャパシタ上部電極を形成する段階は、前
記第2絶縁膜の上面、前記ホール領域の内壁及び底面に
誘電膜を形成する段階と、前記誘電膜が形成された前記
半導体基板上に前記ホール領域を完全には埋め込まない
厚さに第2金属膜を形成する段階と、前記第2金属膜が
形成された前記半導体基板上にキャッピング膜を形成す
る段階と、前記第2絶縁膜の上面が露出されるように前
記キャッピング膜が形成された前記半導体基板の上面を
平坦化させて第2金属膜パターン及びキャッピング膜パ
ターンを形成する段階、及び前記キャッピング膜パター
ンが形成された前記半導体基板を洗浄する段階を含むこ
とができる。ここで、前記第2金属膜パターン及びキャ
ッピング膜パターンを形成する段階は、CMPによって
行われることが望ましい。前記第2金属膜としてTa
膜、TaN膜、TaSiN膜、TiN膜、TiSiN
膜、WN膜、WSiN膜、及びこれらの組み合わせより
なる群から選ばれたいずれか一つを形成することができ
る。又、前記第2金属膜としてTa膜とCu膜との2重
膜、TaN膜とCu膜との2重膜、及びTa膜とTaN
膜とCu膜との3重膜よりなる群から選ばれたいずれか
一つを形成することができる。前記キャッピング膜とし
てTEOS膜、PEOX膜、SiOF膜、及びSiOC
膜よりなる群から選ばれたいずれか一つを形成すること
ができる。
て、前記第1金属配線及び第2金属配線を形成するため
に、前記下部絶縁膜内に第1及び第2トレンチを形成す
る。前記第1及び第2トレンチを完全に埋め込む第1金
属膜を形成した後に、前記下部絶縁膜の上面が露出され
るように前記第1金属膜の上面を平坦化させる。前記第
1金属膜としてCu膜を形成することが望ましい。前記
第1金属膜を形成する前に、前記第1及び第2トレンチ
の内壁及び底面に第1障壁金属膜を形成することができ
る。
て、前記ダマシン配線構造及びコンタクトプラグを形成
するために、前記第4、第3、第2及び第1絶縁膜を貫
通して前記第1金属配線の上面を露出させるビアトレン
チを形成する。前記ビアトレンチの上部に前記第4及び
第3絶縁膜を貫通する金属配線領域トレンチを形成す
る。前記第4及び第3絶縁膜を貫通して前記上部電極の
上面を露出させるコンタクトホールを形成する。前記ビ
アトレンチ、金属配線領域トレンチ及びコンタクトホー
ルを完全に埋め込む第3金属膜を形成した後に、前記第
4絶縁膜の上面が露出されるように前記第3金属膜の上
面を平坦化させる。前記第3金属膜としてCu膜を形成
することが望ましい。前記第3金属膜を形成する段階前
に、前記ビアトレンチ、金属配線領域トレンチ及びコン
タクトホールの内壁及び底面に第2障壁金属膜を形成す
る段階をさらに含むことができる。
て、前記第1絶縁膜及び第2絶縁膜を形成する段階前
に、前記第2金属配線上にキャパシタ下部電極を形成す
る段階をさらに含むことができる。この時、前記第1絶
縁膜及び第2絶縁膜は前記下部電極の上面を露出させる
ホール領域を有するように形成される。前記キャパシタ
下部電極としてTa膜、TaN膜、TaSiN膜、Ti
N膜、TiSiN膜、WN膜、WSiN膜、及びこれら
の組み合わせよりなる群から選ばれたいずれか一つを形
成することができる。
形成する段階で誘電膜を損傷させる恐れがない。そし
て、キャパシタを形成した後に、金属配線のために形成
する絶縁膜をCMPしなくても良い。
発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、本
発明の実施形態は各種の形態に変形でき、本発明の範囲
が後述する実施形態によって限定されると解釈されては
ならない。本発明の実施形態は当業者に本発明をより完
全に説明するために提供されるものである。従って、図
中の要素の形状などはより明確な説明を強調するために
誇張されており、図中同じ要素には同じ符号を使用し
た。また、ある層が他の層又は半導体基板の「上」にあ
ると記載される場合、前記ある層は前記他の層又は半導
体基板に直接的に接触して存在することもでき、また
は、それらの間に第3の層が介在されることもできる。
発明の第1実施形態によるMIMキャパシタ及びダマシ
ン配線構造を有する半導体素子の製造方法を説明するた
めの断面図である。
部絶縁膜100を形成する。前記下部絶縁膜100内に
第1及び第2トレンチT11,T12を形成する。前記
第1及び第2トレンチT11,T12の内壁及び底面に
第1障壁金属膜112を形成する。前記第1障壁金属膜
112としては、Ta膜、TaN膜、TaSiN膜、T
iN膜、TiSiN膜、WN膜、WSiN膜、及びこれ
らの組み合わせよりなる群から選ばれたいずれか一つを
形成することができる。
前記第1及び第2トレンチT11,T12に埋め込まれ
る第1金属膜の金属原子が前記下部絶縁膜100内に拡
散されることを防止する。
記第1及び第2トレンチT11,T12を完全に埋め込
む第1金属膜を形成する。この時、前記第1金属膜とし
てCu膜を形成することが望ましい。
が形成された前記第1及び第2トレンチT11,T12
の内壁及び底面にCu種子を形成する。
T12を完全に埋め込むCu膜を電気メッキ法により形
成する。前記下部絶縁膜100の上面が露出されるよう
に前記第1金属膜の上面をCMPして平坦化させる。こ
れにより、前記下部絶縁膜100と段差無しに第1金属
配線115及び第2金属配線120が形成される。
5及び第2金属配線120が形成された前記半導体基板
90上に前記第2金属配線120の上面を露出させるホ
ール領域H1を有する第1絶縁膜125及び第2絶縁膜
130を順次に形成する。例えば、前記第1金属配線1
15及び第2金属配線120が形成された前記半導体基
板90上に第1絶縁膜125としてSiN膜又はSiC
膜を形成する。前記第1絶縁膜125は前記第1金属配
線115及び第2金属配線120内の金属原子が上部の
絶縁膜に拡散されることを防止する。前記第1絶縁膜1
25上に第2絶縁膜130としては、TEOS膜、PE
OX膜、SiOF膜またはSiOC膜を形成する。例え
ば、TEOS膜はTEOSソースガスを用いた化学気相
蒸着法(以下、CVD)により形成することができる。
PEOX膜はSiH4ガス、N2ガスなどを用いてプラ
ズマ−CVD法により形成することができる。SiOF
膜はSiH4ガス、SiF4ガス、O2ガス及びArガ
スを用いてHDP(High Density Pla
sma)−CVD法により形成することができる。Si
OC膜はトリメチルシラン(TMS)などの有機ソース
ガスを用いてCVD法により形成することができる。
出されるように前記第1絶縁膜125及び第2絶縁膜1
30をパターニングする。
の上面、前記ホール領域H1の内壁及び底面に誘電膜1
35を形成する。前記誘電膜135としてSiN膜又は
SiC膜を形成する。ここで、SiN膜又はSiC膜は
単独で形成しても良く、所定の酸化膜と組み合わせてS
iN膜及び酸化膜の2重膜、又はSiC膜と酸化膜との
2重膜に形成しても良い。例えば、前記誘電膜135と
しては、SiN膜とSiOC膜との2重膜、SiN膜と
TEOS膜との2重膜、SiN膜とPEOX膜との2重
膜、SiC膜とSiOC膜との2重膜、SiC膜とTE
OS膜との2重膜、またはSiC膜とPEOX膜との2
重膜を形成する。このように、誘電膜をSiN膜と酸化
膜との2重膜又はSiC膜と酸化膜との2重膜に形成す
れば、キャパシタの漏れ電流特性が改善される。
タの静電容量に合わせて調節する。
半導体基板90上に前記ホール領域H1を完全に埋め込
む第2金属膜140を形成する。前記第2金属膜140
としては、Ta膜、TaN膜、TaSiN膜、TiN
膜、TiSiN膜、WN膜、WSiN膜、及びこれらの
組み合わせよりなる群から選ばれたいずれか一つを形成
することができる。又、前記第2金属膜140として
は、Ta膜とCu膜との2重膜、TaN膜とCu膜との
2重膜、及びTa膜、TaN膜とCu膜との3重膜より
なる群から選ばれたいずれか一つを形成することもでき
る。
の上面が露出されるように前記第2金属膜140が形成
された前記半導体基板90の上面を平坦化させる。この
時、平坦化は、CMPによって行われることが望まし
い。これにより、前記第2絶縁膜130の上面と段差無
しに前記ホール領域H1を完全に埋め込むキャパシタ上
部電極140aが形成される。
130の上面に形成された前記誘電膜135部分を完全
に除去するので、前記誘電膜135は前記ホール領域H
1の内壁及び底面にのみ残留する。前記第2絶縁膜13
0の上面に形成された前記誘電膜135部分を完全に除
去することにより、前記キャパシタ上部電極140aの
ほかには第2金属膜部分が図6の前記半導体基90板に
残留しない。
により上部電極を形成するため、前記上部電極をパター
ニングする段階で下部の誘電膜がプラズマによって損傷
されるという問題があった。しかし、本発明の実施形態
によれば、CMPによって前記上部電極140aを形成
するので、前記誘電膜135がプラズマによって損傷さ
れるという問題が解決される。
前記半導体基板90上に第3絶縁膜143及び第4絶縁
膜145を順次に形成する。前記第3絶縁膜143とし
ては、SiN膜又はSiC膜を形成する。前記第4絶縁
膜145としては、前記第2絶縁膜130と同様にTE
OS膜、PEOX膜、SiOF膜、及びSiOC膜より
なる群から選ばれたいずれか一つを形成することができ
る。従来技術とは異なって、前記第2絶縁膜130の上
面と段差無しに上部電極140aを形成するので、前記
第4絶縁膜145を別途に平坦化させる工程を行わなく
ても良い。
5、第3絶縁膜143、第2絶縁膜130及び第1絶縁
膜125を貫通して前記第1金属配線115の上面を露
出させるビアトレンチH11を形成する。前記ビアトレ
ンチH11の上部に前記第4絶縁膜145及び第3絶縁
膜143を貫通する金属配線領域トレンチH12を形成
する。
3に対する前記第4絶縁膜145のエッチング選択比が
あるエッチング工程により前記第4絶縁膜145をエッ
チングする。この時、前記第3絶縁膜143がエッチン
グ終了点となる。次に、前記第3絶縁膜143までエッ
チングして金属配線領域トレンチH12を完成する。こ
のように、前記第3絶縁膜143はデュアルダマシン配
線構造を形成するためのエッチング停止膜の機能が行え
るように導入する膜である。
る間に、前記第4絶縁膜145及び第3絶縁膜143を
貫通して前記上部電極140aの上面を露出させるコン
タクトホールH13も形成する。この実施形態では、前
記ビアトレンチH11を形成した後に前記金属配線領域
トレンチH12を形成する方法について説明したが、前
記金属配線領域トレンチH12を形成した後に前記ビア
トレンチH11を形成しても構わない。
1、金属配線領域トレンチH12及びコンタクトホール
H13の内壁及び底面に第2障壁金属膜147を形成す
る。前記第2障壁金属膜147としてTa膜、TaN
膜、TaSiN膜、TiN膜、TiSiN膜、WN膜、
WSiN膜及びこれらの組み合わせよりなる群から選ば
れたいずれか一つを形成することができる。前記第2障
壁金属膜147は後続工程で前記ビアトレンチH11、
金属配線領域トレンチH12及びコンタクトホールH1
3に埋め込まれる第3金属膜の金属原子が前記第4及び
第2絶縁膜145、130内に拡散されることを防止す
る。
領域トレンチH12及びコンタクトホールH13を完全
に埋め込む第3金属膜を形成する。ここで、前記第3金
属膜としてCu膜を形成することが望ましい。前記Cu
膜は前記ビアトレンチH11、金属配線領域トレンチH
12及びコンタクトホールH13の内壁及び底面にCu
種子を形成した後に電気メッキ法によって形成すること
ができる。次に、前記第4絶縁膜145の上面が露出さ
れるようにCMP法により前記第3金属膜の上面を平坦
化させる。これにより、前記第4絶縁膜145、第3絶
縁膜143、第2絶縁膜130及び第1絶縁膜125を
貫通して前記第1金属配線115の上面に接触するダマ
シン配線構造150と、前記第4絶縁膜145及び第3
絶縁膜143を貫通して前記上部電極140aの上面に
接触するコンタクトプラグ155とが形成される。
本発明の第2実施の形態によるMIMキャパシタ及びダ
マシン配線構造を有する半導体素子の製造方法を説明す
るための断面図である。この実施形態において、前記第
1実施の形態と同一の部分に対してはその説明を省略す
る。
方法と同様にして、半導体基板190上の下部絶縁膜2
00内に前記下部絶縁膜200と段差無しに第1金属配
線215及び第2金属配線220を形成する。参照番号
212は第1障壁金属膜である。
触するキャパシタ下部電極222を形成する。例えば、
前記第1金属配線215及び第2金属配線220が形成
された前記半導体基板190上にTa膜、TaN膜、T
aSiN膜、TiN膜、TiSiN膜、WN膜、WSi
N膜及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれたい
ずれか一つの膜を形成してこれをパターニングする。
の上面を露出させるホール領域H2を有する第1絶縁膜
225及び第2絶縁膜230を順次に形成する。例え
ば、前記下部電極222が形成された前記半導体基板1
90上に第1絶縁膜225としてSiN膜又はSiC膜
を形成する。前記第1絶縁膜225上に第2絶縁膜23
0としてTEOS膜、PEOX膜、SiOF膜、又はS
iOC膜を形成する。
れるように前記第1絶縁膜225及び第2絶縁膜230
をパターニングする。
一である。すなわち、図11を参照すれば、前記第2絶
縁膜230の上面、前記ホール領域H2の内壁及び底面
に誘電膜235を形成する。前記誘電膜235が形成さ
れた前記半導体基板190上に前記ホール領域H2を完
全に埋め込む第2金属膜を形成した後に、前記第2絶縁
膜230の上面が露出されるように前記第2金属膜が形
成された前記半導体基板190の上面を平坦化させる。
これにより、前記第2絶縁膜230の上面と段差無しに
前記ホール領域H2を完全に埋め込むキャパシタ上部電
極240aが形成される。
により上部電極を形成するため、前記上部電極をパター
ニングする段階で下部の誘電膜がプラズマによって損傷
されるという問題があった。しかし、本発明の実施形態
によれば、CMPによって前記上部電極240aを形成
するので、前記誘電膜235がプラズマによって損傷さ
れる問題が解決される。
前記半導体基板190上に第3絶縁膜243及び第4絶
縁膜245を順次に形成する。従来の技術とは異なっ
て、前記第2絶縁膜230の上面と段差無しに上部電極
240aを形成するので、前記第4絶縁膜245を別途
に平坦化させる工程を行わなくても良い。
3、第2絶縁膜230及び第1絶縁膜225を貫通して
前記第1金属配線215の上面に接触するダマシン配線
構造250と、前記第4絶縁膜245及び第3絶縁膜2
43を貫通して前記上部電極240aの上面に接触する
コンタクトプラグ255とを形成する。参照番号247
は第2障壁金属膜である。
線120がMIMキャパシタの下部電極の役割をするた
め、別途の下部電極を形成しない。ところが、前記第1
絶縁膜125及び第2絶縁膜130をパターニングする
時に前記第2金属配線120の上面が損傷される恐れが
ある。このため、前記第2金属配線120の表面が粗く
なったり、不純物が流入したり、デッィングされたりす
る問題が生じる場合にはMIMキャパシタの性能の低下
が招かれることがある。
222を形成することにより、このような問題を解決す
る。下部電極はTa膜、TaN膜、TaSiN膜、Ti
N膜、TiSiN膜、WN膜、WSiN膜及びこれらの
組み合わせよりなる群から選ばれたいずれか一つの膜よ
りなるので、前記第1絶縁膜225及び第2絶縁膜23
0をパターニングする段階で上面が損傷される心配がほ
とんど無い。
は、本発明の第3実施の形態によるMIMキャパシタ及
びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造方法を説
明するための断面図である。この実施形態において、前
記第1実施の形態と同じ部分についてはその説明を省
く。
の方法と同様にして、半導体基板290上の下部絶縁膜
300内に前記下部絶縁膜300と段差無しに第1金属
配線315及び第2金属配線320を形成する。参照番
号312は第1障壁金属膜である。前記第1金属配線3
15及び第2金属配線320が形成された前記半導体基
板290上に前記第2金属配線320の上面を露出させ
るホール領域H3を有する第1絶縁膜325及び第2絶
縁膜330を順次に形成する。
0の上面、前記ホール領域H3の内壁及び底面に誘電膜
335を形成する。
基板290上に前記ホール領域H3を完全には埋め込ま
ない厚さに第2金属膜340を形成する。前記第2金属
膜340としては、Ta膜、TaN膜、TaSiN膜、
TiN膜、TiSiN膜、WN膜、WSiN膜、及びこ
れらの組み合わせよりなる群から選ばれたいずれか一つ
を形成することができる。又、前記第2金属膜340と
しては、Ta膜とCu膜との2重膜、TaN膜とCu膜
との2重膜、及びTa膜、TaN膜とCu膜との3重膜
よりなる群から選ばれたいずれか一つを形成することが
できる。
のCMP量を減らすために、前記第1及び第2実施の形
態とは異なって、前記第2金属膜340を薄く形成する
ことが特徴である。ところで、前記第2金属膜340が
前記ホール領域H3を完全に埋め込まないため、CMP
後に前記ホール領域H3内にCMPスラリーが残留し易
い。残留するCMPスラリーを除去するためには洗浄工
程を行わなければならないが、この時、上部電極となる
前記第2金属膜340が損傷される恐れがある。
膜340を保護するためにキャッピング膜342を形成
する。前記キャッピング膜342として前記第2絶縁膜
330と同様にTEOS膜、PEOX膜、SiOF膜、
又はSiOC膜を形成する。前記キャッピング膜342
は前記ホール領域H3を完全に埋め込むように形成して
も良く、図13のように、前記ホール領域H3を完全に
埋め込まないように形成しても良い。
0の上面が露出されるように前記キャッピング膜342
が形成された前記半導体基板290の上面を平坦化させ
る。これにより、前記誘電膜335が形成されたホール
領域H3の内壁及び底面に前記ホール領域H3を完全に
は埋め込まない厚さにキャパシタ上部電極340a及び
キャッピング膜パターン342aが形成される。ここ
で、前記上部電極340a及びキャッピング膜パターン
342aを形成する段階は、CMPによって行われるこ
とが望ましい。前記キャッピング膜パターン342aが
前記ホール領域H3を完全に埋め込まない場合には、前
述の通り、前記ホール領域H3内にCMPスラリーSが
残留する恐れがある。
パターン342aが形成された前記半導体基板290を
洗浄する。前記洗浄する段階は通常の方法に従い湿式エ
ッチング法によって行う。前記ホール領域H3内に残留
するCMPスラリーSが除去される間に、前記キャッピ
ング膜パターン342aそのものも次第にエッチングさ
れるものの、エッチング液が前記上部電極340aに侵
入することを防止する。このため、前記上部電極340
aが損傷される恐れがない。
前記第2絶縁膜330は両方とも酸化膜系であるため、
洗浄工程によって前記キャッピング膜パターン342a
がエッチングされる間に前記第2絶縁膜パターン330
もエッチングされる。従って、前記第2絶縁膜パターン
330が過度にエッチングされないようにエッチング時
間を調節する。このため、前記キャッピング膜パターン
342aが完全に除去し切れずに、図16の如く、洗浄
後の前記半導体基板290から薄くなったキャッピング
膜パターン342bが残留する場合もある。
より上部電極を形成するため、前記上部電極をパターニ
ングする段階で下部の誘電膜がプラズマによって損傷さ
れるという問題があった。しかし、本発明の実施形態に
よれば、CMPによって前記上部電極340aを形成す
るので、前記誘電膜335がプラズマによって損傷され
る問題が解決される。前記CMP段階で使われるスラリ
ーが前記ホール領域H3内に残留する場合、これを除去
するための洗浄工程を行う時、前記キャッピング膜パタ
ーン342aが前記上部電極340aをエッチング液か
ら保護するので、前記上部電極340aが損傷される恐
れがない。
aが形成された前記半導体基板290上に第3絶縁膜3
43及び第4絶縁膜345を形成する。前記第4絶縁膜
345として前記第2絶縁膜330及びキャッピング膜
342と同様にTEOS膜、PEOX膜、SiOF膜、
及びSiOC膜よりなる群から選ばれたいずれか一つを
形成することができる。従来の技術とは異なって、前記
第4絶縁膜345を別途に平坦化させる工程を行わな
い。すなわち、図16の如く、前記第4絶縁膜345が
前記ホール領域H3で段差を持っていても、前記第4絶
縁膜345を平坦化させない。
5、第3絶縁膜343、第2絶縁膜330及び第1絶縁
膜325を貫通して前記第1金属配線315の上面を露
出させるビアトレンチH31を形成する。前記ビアトレ
ンチH31の上部に前記第4絶縁膜345及び第3絶縁
膜343を貫通する金属配線領域トレンチH32を形成
する。前記金属配線領域トレンチH32を形成する間
に、前記第4絶縁膜345及び第3絶縁膜343を貫通
して前記上部電極340aの上面を露出させるコンタク
トホールH33も形成する。
たキャッピング膜パターン342bが残留するならば、
前記コンタクトホールH33は前記キャッピング膜パタ
ーン342bも貫通するように形成されるべきなのは当
業者にとって容易に理解できるであろう。この実施の形
態では、前記ビアトレンチH31を形成した後に、前記
金属配線領域トレンチH32を形成する方法について説
明したが、前記金属配線領域トレンチH32を形成した
後に前記ビアトレンチH31を形成しても構わない。
31、金属配線領域トレンチH32及びコンタクトホー
ルH33の内壁及び底面に第2障壁金属膜347を形成
する。前記第2障壁金属膜347としてTa膜、TaN
膜、TaSiN膜、TiN膜、TiSiN膜、WN膜、
WSiN膜及びこれらの組み合わせよりなる群から選ば
れたいずれか一つを形成することができる。次に、前記
ビアトレンチH31、金属配線領域トレンチH32及び
コンタクトホールH33を完全に埋め込む第3金属膜を
形成する。ここで、前記第3金属膜としてCu膜を形成
することが望ましい。前記Cu膜は前記ビアトレンチH
31、金属配線領域トレンチH32及びコンタクトホー
ルH33の内壁及び底面にCu種子を形成した後に電気
メッキ法によって形成することができる。前記第4絶縁
膜345の上面が露出されるように前記第3金属膜の上
面をCMP法により平坦化させる。これにより、前記第
4絶縁膜345、第3絶縁膜343、第2絶縁膜330
及び第1絶縁膜325を貫通して前記第1金属配線31
5の上面に接触するダマシン配線構造350と、前記第
4絶縁膜345及び第3絶縁膜343を貫通して前記上
部電極340aの上面に接触するコンタクトプラグ35
5が形成される。
は、本発明の第4実施の形態によるMIMキャパシタ及
びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造方法を説
明するための断面図である。この実施形態において、前
記第3実施の形態と同じ部分に対してはその説明を省略
する。
の方法と同様にして、半導体基板390上の下部絶縁膜
400内に前記下部絶縁膜400と段差無しに第1金属
配線415及び第2金属配線420を形成する。参照番
号412は第1障壁金属膜である。前記第2金属配線4
20の上面に接触するキャパシタ下部電極422を形成
する。例えば、前記第1金属配線415及び第2金属配
線420が形成された前記半導体基板390上にTa
膜、TaN膜、TaSiN膜、TiN膜、TiSiN
膜、WN膜、WSiN膜、及びこれらの組み合わせより
なる群から選ばれたいずれか一つを形成してこれをパタ
ーニングする。
の上面を露出させるホール領域H4を有する第1絶縁膜
425及び第2絶縁膜430を順次に形成する。例え
ば、前記下部電極422が形成された前記半導体基板3
90上に第1絶縁膜425としてSiN膜又はSiC膜
を形成することができる。前記第1絶縁膜425上に第
2絶縁膜430としてTEOS膜、PEOX膜、SiO
F膜、またはSiOC膜を形成する。次に、前記下部電
極422の上面が露出されるように前記第1絶縁膜42
5及び第2絶縁膜430をパターニングする。
一である。すなわち、図22を参照すれば、前記第2絶
縁膜430の上面、前記ホール領域H4の内壁及び底面
に誘電膜435を形成する。前記誘電膜435が形成さ
れた前記半導体基板390上に前記ホール領域H4を完
全に埋め込まないほどの厚さに第2金属膜を形成する。
前記第2金属膜を保護するためにキャッピング膜を形成
する。前記第2絶縁膜430の上面が露出されるように
前記キャッピング膜が形成された前記半導体基板390
の上面を平坦化させる。
たホール領域H4の内壁及び底面に前記ホール領域H4
を完全に埋め込まないほどの厚さにキャパシタ上部電極
440a及びキャッピング膜パターンが形成される。洗
浄工程を行い、前記ホール領域H4内に残留するCMP
スラリーを除去する。この時、CMPスラリーの除去は
湿式エッチング法によるので、前記キャッピング膜パタ
ーンが除去される。図示はしていないが、前記キャッピ
ング膜パターンは残留することもある。前記キャッピン
グ膜パターンは前記上部電極440aをエッチング液か
ら保護する。
により上部電極を形成するため、前記上部電極をパター
ニングする段階で下部の誘電膜がプラズマによって損傷
されるという問題があった。しかし、本発明の実施形態
によれば、CMPによって前記上部電極440aを形成
するので、前記誘電膜435がプラズマによって損傷さ
れる問題が解決される。
前記半導体基板390上に第3絶縁膜433及び第4絶
縁膜445を順次に形成する。従来の技術とは異なっ
て、前記第4絶縁膜445を別途に平坦化させる工程を
行わない。前記第4絶縁膜445、第3絶縁膜433、
第2絶縁膜430及び第1絶縁膜425を貫通して前記
第1金属配線415の上面に接触するダマシン配線構造
450と、前記第4絶縁膜445及び第3絶縁膜433
を貫通して前記上部電極440aの上面に接触するコン
タクトプラグ455とを形成する。参照番号447は第
2障壁金属膜である。
線320がMIMキャパシタの下部電極の役割をするの
で、別途の下部電極を形成しない。ところが、前記第1
絶縁膜325及び第2絶縁膜330をパターニングする
段階で前記第2金属配線320の上面が損傷される恐れ
がある。このため、前記第2金属配線320の表面が粗
くなったり、不純物が流入したり、あるいはディッシン
グされたりする問題が生じる場合にはMIMキャパシタ
の性能の低下が招かれることがある。従って、この実施
形態では、前記下部電極422を形成することにより、
前述のような問題を前もって防止できる。
ャパシタの上部電極を形成する段階で誘電膜を損傷する
恐れがない。これにより、エッチング工程による誘電膜
表面の損傷を防止してキャパシタの性能の低下を防止す
ることができる。
線のために形成する絶縁膜をCMPしなくても良い。こ
れにより、全体的な半導体素子の製造工程が簡単にな
る。
で、比抵抗がAlに比べて小さく、しかもエレクトロマ
イグレーション抵抗性にも優れているCu配線構造を提
供できる。これにより、配線の断面積が狭まって半導体
素子の動作速度及び信頼性が維持可能になる。
造を有する半導体素子の製造方法を説明するための断面
図である。
造を有する半導体素子の製造方法を説明するための断面
図である。
シタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造方
法を説明するための断面図である。
ャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製
造方法を説明するための断面図である。
ャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製
造方法を説明するための断面図である。
ャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製
造方法を説明するための断面図である。
ャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製
造方法を説明するための断面図である。
ャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製
造方法を説明するための断面図である。
シタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造方
法を説明するための断面図である。
キャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の
製造方法を説明するための断面図である。
Mキャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子
の製造方法を説明するための断面図である。
パシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造
方法を説明するための断面図である。
Mキャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子
の製造方法を説明するための断面図である。
Mキャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子
の製造方法を説明するための断面図である。
Mキャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子
の製造方法を説明するための断面図である。
Mキャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子
の製造方法を説明するための断面図である。
Mキャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子
の製造方法を説明するための断面図である。
Mキャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子
の製造方法を説明するための断面図である。
Mキャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子
の製造方法を説明するための断面図である。
パシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子の製造
方法を説明するための断面図である。
Mキャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子
の製造方法を説明するための断面図である。
Mキャパシタ及びダマシン配線構造を有する半導体素子
の製造方法を説明するための断面図である。
Claims (23)
- 【請求項1】 半導体基板上の下部絶縁膜内に第1金属
配線及び第2金属配線を形成する段階と、前記第1金属
配線及び第2金属配線が形成された前記半導体基板上に
前記第2金属配線の上面を露出させるホール領域を有す
る第1絶縁膜及び第2絶縁膜を順次に形成する段階と、 前記ホール領域の内壁及び底面に誘電膜を形成して前記
第2絶縁膜の上面と段差無しに前記ホール領域を完全に
埋め込むキャパシタ上部電極を形成する段階と、 前記上部電極が形成された前記半導体基板上に第3絶縁
膜及び第4絶縁膜を順次に形成する段階と、 前記第4、第3、第2及び第1絶縁膜を貫通して前記第
1金属配線の上面に接触するダマシン配線構造と、前記
第4及び第3絶縁膜を貫通して前記上部電極の上面に接
触するコンタクトプラグとを形成する段階と、を含むこ
とを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 【請求項2】 半導体基板上の下部絶縁膜内に第1金属
配線及び第2金属配線を形成する段階と、 前記第1金属配線及び第2金属配線が形成された前記半
導体基板上に前記第2金属配線の上面を露出させるホー
ル領域を有する第1絶縁膜及び第2絶縁膜を順次に形成
する段階と、 前記ホール領域の内壁及び底面に誘電膜を形成して前記
第2絶縁膜の上面と段差無しに前記ホール領域を完全に
は埋め込まない厚さにキャパシタ上部電極を形成する段
階と、 前記上部電極が形成された前記半導体基板上に第3絶縁
膜及び第4絶縁膜を順次に形成する段階と、 前記第4、第3、第2及び第1絶縁膜を貫通して前記第
1金属配線の上面に接触するダマシン配線構造と、前記
第4及び第3絶縁膜を貫通して前記上部電極の上面に接
触するコンタクトプラグとを形成する段階とを含むこと
を特徴とする半導体素子の製造方法。 - 【請求項3】 前記第1金属配線及び第2金属配線を形
成する段階は、 前記下部絶縁膜内に第1及び第2トレンチを形成する段
階と、 前記第1及び第2トレンチを完全に埋め込む第1金属膜
を形成する段階と、 前記下部絶縁膜の上面が露出されるように前記第1金属
膜の上面を平坦化させる段階とを含むことを特徴とする
請求項1又は2に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項4】 前記第1金属膜としてCu膜を形成する
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体素子の製造方
法。 - 【請求項5】 前記第1金属膜を形成する段階前に、 前記第1及び第2トレンチの内壁及び底面に第1障壁金
属膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求
項3に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項6】 前記第1障壁金属膜としてTa膜、Ta
N膜、TaSiN膜、TiN膜、TiSiN膜、WN
膜、WSiN膜、及びこれらの組み合わせよりなる群か
ら選ばれたいずれか一つを形成することを特徴とする請
求項5に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項7】 前記誘電膜としてSiN膜、SiC膜、
SiN膜とSiOC膜の2重膜、SiN膜とTEOS膜
の2重膜、SiN膜とPEOX膜の2重膜、SiC膜と
SiOC膜の2重膜、SiC膜とTEOS膜の2重膜、
及びSiC膜とPEOX膜の2重膜よりなる群から選ば
れたいずれか一つを形成することを特徴とする請求項1
又は2に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項8】 前記キャパシタ上部電極を形成する段階
は、 前記第2絶縁膜の上面、前記ホール領域の内壁及び底面
に誘電膜を形成する段階と、 前記誘電膜が形成された前記半導体基板上に前記ホール
領域を完全に埋め込む第2金属膜を形成する段階と、 前記第2絶縁膜の上面が露出されるように前記第2金属
膜が形成された前記半導体基板の上面を平坦化させる段
階とを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素
子の製造方法。 - 【請求項9】 前記平坦化させる段階は、化学機械的研
磨によって行われることを特徴とする請求項8に記載の
半導体素子の製造方法。 - 【請求項10】 前記キャパシタ上部電極を形成する段
階は、 前記第2絶縁膜の上面、前記ホール領域の内壁及び底面
に誘電膜を形成する段階と、 前記誘電膜が形成された前記半導体基板上に前記ホール
領域を完全には埋め込まない厚さに第2金属膜を形成す
る段階と、 前記第2金属膜が形成された前記半導体基板上にキャッ
ピング膜を形成する段階と、 前記第2絶縁膜の上面が露出されるように前記キャッピ
ング膜が形成された前記半導体基板の上面を平坦化させ
て第2金属膜パターン及びキャッピング膜パターンを形
成する段階と、 前記キャッピング膜パターンが形成された前記半導体基
板を洗浄する段階とを含むことを特徴とする請求項2に
記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項11】 前記第2金属膜パターン及びキャッピ
ング膜パターンを形成する段階は、化学的機械的研磨に
より行われることを特徴とする請求項10に記載の半導
体素子の製造方法。 - 【請求項12】 前記キャッピング膜としてTEOS
膜、PEOX膜、SiOF膜、及びSiOC膜よりなる
群から選ばれたいずれか一つを形成することを特徴とす
る請求項10に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項13】 前記第2金属膜としてTa膜、TaN
膜、TaSiN膜、TiN膜、TiSiN膜、WN膜、
WSiN膜、及びこれらの組み合わせよりなる群から選
ばれたいずれか一つを形成することを特徴とする請求項
8又は10に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項14】 前記第2金属膜としてTa膜とCu膜
の2重膜、TaN膜とCu膜の2重膜、及びTa膜とT
aN膜とCu膜の3重膜よりなる群から選ばれたいずれ
か一つを形成することを特徴とする請求項8又は10に
記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項15】 前記第1及び第3絶縁膜としてSiN
膜又はSiC膜を形成することを特徴とする請求項1又
は2に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項16】 前記第2及び第4絶縁膜としてTEO
S膜、PEOX膜、SiOF膜及びSiOC膜よりなる
群から選ばれたいずれか一つを形成することを特徴とす
る請求項1又は2に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項17】 前記ダマシン配線構造及びコンタクト
プラグを形成する段階は、 前記第4、第3、第2及び第1絶縁膜を貫通して前記第
1金属配線の上面を露出させるビアトレンチ、前記ビア
トレンチの上部に前記第4及び第3絶縁膜を貫通する金
属配線領域トレンチ、及び前記第4及び第3絶縁膜を貫
通して前記上部電極の上面を露出させるコンタクトホー
ルを形成する段階と、 前記ビアトレンチ、金属配線領域トレンチ及びコンタク
トホールを完全に埋め込む第3金属膜を形成する段階
と、 前記第4絶縁膜の上面が露出されるように前記第3金属
膜の上面を平坦化させる段階とを含むことを特徴とする
請求項1又は2に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項18】 前記第3金属膜としてCu膜を形成す
ることを特徴とする請求項17に記載の半導体素子の製
造方法。 - 【請求項19】 前記第3金属膜を形成する段階前に、 前記ビアトレンチ、金属配線領域トレンチ及びコンタク
トホールの内壁及び底面に第2障壁金属膜を形成する段
階をさらに含むことを特徴とする請求項17に記載の半
導体素子の製造方法。 - 【請求項20】 前記第2障壁金属膜としてTa膜、T
aN膜、TaSiN膜、TiN膜、TiSiN膜、WN
膜、WSiN膜、及びこれらの組み合わせよりなる群か
ら選ばれたいずれか一つを形成することを特徴とする請
求項19に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項21】 前記第1絶縁膜と第2絶縁膜を形成す
る段階前に、 前記第2金属配線上にキャパシタ下部電極を形成する段
階をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載
の半導体素子の製造方法。 - 【請求項22】 前記第1絶縁膜及び第2絶縁膜は、前
記下部電極の上面を露出させるホール領域を有するよう
に形成することを特徴とする請求項21に記載の半導体
素子の製造方法。 - 【請求項23】 前記キャパシタ下部電極としてTa
膜、TaN膜、TaSiN膜、TiN膜、TiSiN
膜、WN膜、WSiN膜、及びこれらの組み合わせより
なる群から選ばれたいずれか一つを形成することを特徴
とする請求項21に記載の半導体素子の製造方法。
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