JP2005142252A - Forming method of alignment mark, semiconductor device, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属膜を含む膜表面にアライメントマークを形成することが容易なアライメントマークの形成方法および半導体装置の製造方法および半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a method for forming an alignment mark, a method for manufacturing a semiconductor device, and a semiconductor device that can easily form an alignment mark on a film surface including a metal film.
情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及にともない、これを構成するメモリ素子やロジック素子等の素子には、高集積化、高速化、低消費電力化など、一層の高性能化が要求されている。特に不揮発性メモリはユビキタス時代に必要不可欠の素子と考えられている。 With the rapid spread of information communication equipment, especially small personal devices such as portable terminals, the elements such as memory elements and logic elements are becoming more integrated, faster and have lower power consumption. There is a demand for higher performance. In particular, nonvolatile memories are considered to be indispensable elements in the ubiquitous era.
例えば、電源の消耗やトラブル、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合であっても、不揮発性メモリは個人の重要な情報を保護することができる。そして、不揮発性メモリの高密度化、大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術としてますます重要になってきている。 For example, the nonvolatile memory can protect important personal information even when the power source is consumed or troubled, or the server and the network are disconnected due to some trouble. Increasing the density and capacity of non-volatile memory is becoming increasingly important as a technology for replacing hard disks and optical discs that are essentially impossible to miniaturize due to the presence of moving parts.
また、最近の携帯機器は不要な回路ブロックをスタンバイ状態にしてでき得る限り消費電力を抑えようと設計されているが、高速ネットワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現できれば、消費電力とメモリとの無駄を無くすことができる。また、電源を入れると瞬時に起動できる、いわゆるインスタント・オン機能も高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば可能になってくる。 In addition, recent portable devices are designed to reduce power consumption as much as possible by setting unnecessary circuit blocks to the standby state. However, if a non-volatile memory that can serve both as a high-speed network memory and a large-capacity storage memory can be realized. The waste of power consumption and memory can be eliminated. In addition, a so-called instant-on function that can be started instantly when the power is turned on becomes possible if a high-speed, large-capacity nonvolatile memory can be realized.
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたFRAM(Ferro electric Random Access Memory)などがあげられる。しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒の桁であるため遅いという欠点がある。また構造が複雑なために高集積化が困難であり、しかも、アクセス時間が100ns程度と遅いという欠点がある。一方、FRAMにおいては、書き換え可能回数が1012回〜1014回で完全にスタティックランダムアクセスメモリ(DRAM)やダイナミックランダムアクセスメモリ(SRAM)に置き換えるには耐久性が低いという問題が指摘されている。また、強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという課題も指摘されている。 Examples of the nonvolatile memory include a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferro electric Random Access Memory) using a ferroelectric. However, the flash memory has a disadvantage that it is slow because the writing speed is in the order of microseconds. In addition, since the structure is complicated, it is difficult to achieve high integration, and the access time is as slow as about 100 ns. On the other hand, it has been pointed out that the FRAM has a low endurance to replace the static random access memory (DRAM) or the dynamic random access memory (SRAM) with the number of rewritable times of 10 12 to 10 14 completely. . In addition, it has been pointed out that it is difficult to finely process ferroelectric capacitors.
これらの欠点を有さない不揮発性メモリとして注目されているのが、MRAM(Magnetic Random Access Memory)もしくはMR(Magneto Resistance)メモリと呼ばれる磁気メモリであり、近年のトンネル磁気抵抗効果素子(以下、TMR:という、TMRはTunnel Magnetic Resistanceの略)材料の特性向上により注目を集めるようになってきている(例えば、非特許文献1参照。)。 A magnetic memory called MRAM (Magnetic Random Access Memory) or MR (Magneto Resistance) memory is attracting attention as a non-volatile memory that does not have these drawbacks, and is a recent tunnel magnetoresistive element (hereinafter referred to as TMR). : TMR is an abbreviation of Tunnel Magnetic Resistance) and has been attracting attention due to improved material properties (for example, see Non-Patent Document 1).
MRAMは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記憶を行うために、書き換え回数が大であると予測されている。またアクセス時間についても、非常に高速であることが予想され、既に100MHzで動作可能であることが報告されている(例えば、非特許文献2参照。)。また、GMR効果により高出力が得られるようになった現在では、大きく改善されてきている。 The MRAM has a simple structure and can be easily integrated. Further, since the memory is stored by rotating the magnetic moment, the number of rewrites is predicted to be large. The access time is also expected to be very high, and it has already been reported that it can operate at 100 MHz (for example, see Non-Patent Document 2). In addition, at the present time when high output can be obtained by the GMR effect, it has been greatly improved.
次に、従来型の1選択素子と1TMR素子(1T1J構造)とで構成されるMRAMを図7の概略構成断面図によって説明する。図7では、選択素子にMOSトランジスタを用いた例を示す。 Next, an MRAM composed of a conventional 1-select element and 1TMR element (1T1J structure) will be described with reference to the schematic cross-sectional view of FIG. FIG. 7 shows an example in which a MOS transistor is used as the selection element.
図7に示すように、素子、配線、絶縁膜等が形成された半導体素子基板110がある。この半導体素子基板110には、図示はしないが、例えば、選択素子として電界効果型トランジスタが形成されている。この電界効果トランジスタは読み出しのためのスイッチング素子として機能する。これは、n型またはp型電界効果トランジスタの他に、ダイオード、バイポーラトランジスタ等の各種スイッチング素子を用いることも可能である。図示はしないが、上記半導体素子基板110には、上記電界効果型トランジスタを覆う状態に第1絶縁膜が形成され、この第1絶縁膜に上記選択素子に接続するコンタクト(例えばタングステンプラグ)が形成されている。さらに第1絶縁膜上にはコンタクトに接続する接続用電極131、センス線(図示せず)等が形成されている。
As shown in FIG. 7, there is a
上記第1絶縁膜上には第2絶縁膜142が形成されている。メモリセル領域103における第2絶縁膜142は、センス線(図示せず)、接続用電極131等を覆う。また第2絶縁膜142には上記接続用電極131に接続するコンタクト(例えばタングステンプラグ)132が形成されている。さらに上記第2絶縁膜142上には、コンタクト132に接続する接続用電極133、第1配線(書き込みワード線)111等が形成されている。以下、書き込みワード線として説明する。一方、周辺回路領域105における上記第2絶縁膜上142には、周辺回路領域8の第1配線161が形成されている。
A second
メモリセル領域103における上記第2絶縁膜142上には、上記書き込みワード線111、接続用電極133、周辺回路領域105の第1配線161等を覆う第3絶縁膜143が形成されている。この第3絶縁膜143は、例えば、エッチングストッパとなる絶縁膜、層間絶縁膜、エッチングストッパとなる絶縁膜、層間絶縁膜を下層より順に積層した構造となっていて、その表面は平坦化されている。書き込みワード線111、第1配線161を、例えば埋め込み銅配線で形成する場合には、上層のエッチングストッパとなる絶縁膜を銅の拡散を防止するとともに銅配線への酸素の侵入を防止する膜としても機能することが好ましく、例えば、窒化膜で形成される。この第3絶縁膜143には、上記接続用電極133に接続するプラグ134、周辺回路領域105の第1配線161に接続するプラグ171が形成されている。これらのプラグ134、171等は銅を用いて埋め込み形成をすることが一般的である。
A third
さらに、メモリセル領域103における上記第3絶縁膜143上には、上記書き込みワード線111上方から上記プラグ134に接続する下部電極層305が形成され、この下部電極層135上でかつ上記書き込みワード線111の上方には、記憶素子(以下、TMR素子という)113が形成されている。この記憶素子113は、一例として、強磁性体層からなる磁化固定層と、磁化固定層上に形成されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層上に形成されたもので磁化が比較的容易に回転する記憶層と、記憶層上に形成されたキャップ層とから構成されている。また、上記下部電極層135は例えば反強磁性体層で形成されている。なお、下部電極層135は、反強磁性体層上に磁化固定層を延長した状態でバイパス線(図面では下部電極層135と一体に描かれている)が構成されている。
Further, a lower electrode layer 305 connected to the
メモリセル領域103における上記第3の絶縁膜143上には上記記憶素子113等を覆う第4の絶縁膜144が形成されている。この第4の絶縁膜144は表面が平坦化され、上記記憶素子113の最上層のキャップ層表面が露出されている。上記第4の絶縁膜144上には、上記記憶素子113の上面に接続するものでかつ上記書き込みワード線111と上記記憶素子113を間にして立体的に交差(例えば直交)する第2配線(ビット線)112が形成されている。
A fourth
一方、周辺回路領域105における第4絶縁膜144上には、周辺回路領域105の第2配線162が形成されている。また第4絶縁膜144中には、上記第1配線161に接続されるプラグ171と上記第2配線162とに接続するプラグ172が形成されている。このプラグ171、172は一体に形成されたものであってもよい。
On the other hand, the
ここで、銅配線および銅プラグの形成方法の一般的な一例を図8によって説明する。図8(1)に示すように、絶縁膜211に溝(もしくは接続孔)212を形成した後、その溝(もしくは接続孔)212の内面に、例えばスパッタリングによってバリアメタル層213を成膜する。次いで銅めっきのシードとなる銅膜214を形成する。その後、電解めっきによって、溝(もしくは接続孔)212を埋め込むように銅を堆積して銅膜215を形成する。次に、図8(2)に示すように、化学的機械研磨(CMPという、CMPはChemical Mechanical Polishingの略)法を用いて絶縁膜211上の余剰な銅膜215(シードとなる銅膜214も含む)およびバリアメタル層213を除去することで、溝(もしくは接続孔)212内にバリアメタル層213を介して銅膜215からなる銅配線(もしくは銅プラグ)216を形成する。
Here, a general example of a method for forming a copper wiring and a copper plug will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 8A, after a groove (or connection hole) 212 is formed in the
また、金属膜を用いたアライメントマークの形成方法としては、絶縁膜に形成された位置合わせパターン形成用の溝および回路パターン形成用の溝に金属膜を充填して位置合わせマークおよび回路パターン用の埋込金属膜を形成した後、絶縁膜の上面をエッチバックすることで、位置合わせマークの上面の高さを絶縁膜の上面の高さよりも突出させる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。 In addition, as a method for forming an alignment mark using a metal film, the alignment pattern forming groove and the circuit pattern forming groove formed in the insulating film are filled with the metal film, and the alignment mark and circuit pattern forming pattern are formed. A technique is disclosed in which the height of the upper surface of the alignment mark protrudes from the height of the upper surface of the insulating film by etching back the upper surface of the insulating film after forming the buried metal film (for example, Patent Documents). 1).
解決しようとする問題点は以下の点である。すなわち、めっき法を用いて銅膜を成膜して、溝に銅配線もしくは接続孔に銅プラグを形成した場合、上記溝や接続孔と同時形成される線幅広いアライメントマークとなる凹部もめっきによる銅膜がコンフォーマルに成膜される。そのため、CMP処理後には、アライメントマークとなる凹部には銅膜が埋め込まれてフィールド部分との段差が無くなる。その後、下部電極層およびTMR層を成膜して、TMR素子をパターニングする。このとき、TMR素子のパターニング位置は、下層の銅プラグもしくは銅配線(例えば書き込みワード線)と位置合わせを行う必要がある。すなわち、銅で埋め込みを行った段差を無くしたアライメントマークを、下部電極層およびTMR層等、金属膜を含む膜を成膜した状態で検出する必要が生じるが、アライメント測定光が金属膜によって反射されるためのアライメントマークの検出は困難となる点である。また上記特許文献1に開示されている技術をMRAMの製造技術に適用した場合には、銅プラグもしくは銅配線(例えば書き込みワード線)の部分も絶縁膜上面よりも突出することになり、絶縁膜表面からみて銅プラグもしくは銅配線(例えば書き込みワード線)に段差を生じることになる。このような段差を有する上部に薄膜を積層させてなるTMR層をパターニングする場合には、そのパターニング精度が低下する問題がある。
The problems to be solved are as follows. That is, when a copper film is formed using a plating method and a copper wiring is formed in a groove or a copper plug is formed in a connection hole, a recess that becomes a wide alignment mark formed simultaneously with the groove or connection hole is also plated. A copper film is formed conformally. For this reason, after the CMP process, a copper film is embedded in the concave portion serving as the alignment mark, and the step with the field portion is eliminated. Thereafter, the lower electrode layer and the TMR layer are formed, and the TMR element is patterned. At this time, it is necessary to align the patterning position of the TMR element with the underlying copper plug or copper wiring (for example, write word line). In other words, it is necessary to detect an alignment mark without a step embedded with copper in a state where a film including a metal film such as a lower electrode layer and a TMR layer is formed, but the alignment measurement light is reflected by the metal film. Therefore, it is difficult to detect the alignment mark. When the technique disclosed in
本発明のアライメントマークの形成方法は、表面に絶縁膜が形成された基板の全面に形成された金属膜を含む膜をパターニングする際の前記金属膜を含む膜よりも下層のパターンに対して位置合わせを行う場合に用いるアライメントマークの形成方法において、前記金属膜を含む膜をパターニングする際のアライメント対象となる前記下層のパターンを前記絶縁膜に形成した凹部に埋め込んで形成すると同時に、前記絶縁膜に形成した別の凹部に前記絶縁膜表面よりも少なくとも一部が窪んだ状態のアライメントマークを前記下層のパターンと同一層で形成することを最も主要な特徴とする。 The alignment mark forming method of the present invention is positioned with respect to a pattern below the film including the metal film when patterning the film including the metal film formed on the entire surface of the substrate having the insulating film formed on the surface. In the method of forming an alignment mark used for alignment, the insulating film is simultaneously formed by embedding the lower layer pattern to be aligned when the film including the metal film is patterned into a recess formed in the insulating film. The most important feature is that an alignment mark having at least a part recessed from the surface of the insulating film is formed in the same layer as the lower layer pattern in another recess formed in step (b).
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に形成された第1絶縁膜中に第1導電部をその上面が露出した状態に形成する工程と、前記第1絶縁膜上に前記第1導電部を被覆する第2絶縁膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜に前記第1導電部に通じる接続孔を形成するとともに前記第2絶縁膜から前記第1絶縁膜にかけて凹部を形成する工程と、前記第2絶縁膜上に、前記接続孔を埋め込むとともに前記凹部においては前記第2絶縁膜表面よりも少なくとも一部が低くなるように導電膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜上の前記導電膜を除去して、前記接続孔内に埋め込んだ前記導電膜で第2導電部を形成するとともに、前記凹部内に前記導電膜の少なくとも一部が前記第2絶縁膜表面よりも低くなる状態のアライメントマークを形成する工程とを備えたことを最も主要な特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first conductive portion in a first insulating film formed on a substrate in a state where an upper surface thereof is exposed, and the first conductive portion on the first insulating film. Forming a second insulating film covering the portion, forming a connection hole leading to the first conductive portion in the second insulating film and forming a recess from the second insulating film to the first insulating film And forming a conductive film so as to bury the connection hole on the second insulating film and at least partially lower the surface of the second insulating film in the recess, and on the second insulating film The conductive film is removed to form a second conductive portion with the conductive film buried in the connection hole, and at least a part of the conductive film is lower in the recess than the surface of the second insulating film. Form an alignment mark The most important feature that a degree.
本発明の半導体装置は、基板上に形成された第1絶縁膜に埋め込まれた第1導電部と、前記第1導電部を被覆するもので前記第1絶縁膜上に形成された第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜に形成された前記第1導電部に通じる接続孔を通して前記第1導電部に接続する第2導電部と、アライメント時の位置合わせマークとなるもので、前記第2絶縁膜から前記第1絶縁膜にかけて前記接続孔と同時に形成された凹部に前記第2絶縁膜表面よりも低くなるように前記第2導電部を構成する導電膜と同一層の導電膜を埋め込んで形成したアライメントマークとを備えたことを最も主要な特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention includes a first conductive portion embedded in a first insulating film formed on a substrate, and a second insulating layer that covers the first conductive portion and is formed on the first insulating film. A film, a second conductive part connected to the first conductive part through a connection hole communicating with the first conductive part formed in the second insulating film, and an alignment mark at the time of alignment. A conductive film of the same layer as the conductive film constituting the second conductive portion is embedded in a recess formed simultaneously with the connection hole from the insulating film to the first insulating film so as to be lower than the surface of the second insulating film. The most important feature is that it is provided with the formed alignment mark.
本発明のアライメントマークの形成方法は、金属膜を含む膜をパターニングする際のアライメント対象となる下層のパターンを形成すると同時にアライメントマークを形成するため、いわゆるマスク工程も同時に行われることになる。すなわち、同一マスクで下層のパターンとアライメントマークとを形成することができるので、下層のパターンとアライメントマークとはマスク合わせずれが発生しないという利点がある。また、アライメントマークはその周囲の絶縁膜表面よりも少なくとも一部が窪んだ状態に形成されるため、アライメントマーク上に金属膜を含む膜を成膜しても、その金属膜を含む膜表面にはアライメントマークの窪みが転写され、金属膜を含む膜表面に窪みが形成されるので、金属膜を含む膜を用いて形成されるパターンと下層のパターンとのアライメントを正確に行うことができるという利点がある。したがって、絶縁膜に導電膜を埋め込んで形成される溝配線やプラグと同時に、絶縁膜表面に対して窪みを有するアライメントマークを形成することができ、アライメントマーク上に金属膜を含む膜を形成してもアライメント時のアライメントマークの判別が可能となる。 In the method for forming an alignment mark according to the present invention, a so-called mask process is simultaneously performed because an alignment mark is formed at the same time as a lower layer pattern to be aligned when a film including a metal film is patterned. That is, since the lower layer pattern and the alignment mark can be formed with the same mask, there is an advantage that mask misalignment does not occur between the lower layer pattern and the alignment mark. In addition, since the alignment mark is formed in a state in which at least a part is recessed from the surrounding insulating film surface, even if a film including a metal film is formed on the alignment mark, the alignment mark is formed on the film surface including the metal film. Since the depression of the alignment mark is transferred and the depression is formed on the surface of the film including the metal film, the alignment between the pattern formed using the film including the metal film and the pattern of the lower layer can be performed accurately. There are advantages. Therefore, an alignment mark having a depression with respect to the surface of the insulating film can be formed simultaneously with the trench wiring and plug formed by burying the conductive film in the insulating film, and a film including a metal film is formed on the alignment mark. However, it is possible to determine the alignment mark at the time of alignment.
本発明の半導体装置の製造方法は、第2絶縁膜に第1導電部に通じる接続孔を形成するとともに第2絶縁膜から第1絶縁膜にかけて凹部を形成するため、同一マスクによって接続孔と凹部とを形成することができるので、接続孔と凹部とではマスク合わせずれは発生しないという利点がある。また、第2絶縁膜上に、接続孔を埋め込むとともに凹部においては第2絶縁膜表面よりも少なくとも一部が低くなるように導電膜を形成した後、第2絶縁膜上の導電膜を除去して接続部内に埋め込んだ導電膜で第2導電部を形成するとともに、凹部内に導電膜の少なくとも一部が第2絶縁膜表面よりも低くなる状態のアライメントマークを形成することから、アライメントマークはその周囲よりも少なくとも一部が窪んだ状態に形成されるため、アライメントマーク上に金属膜を含む膜を成膜しても、その金属膜を含む膜表面にはアライメントマークの窪みが転写され、金属膜を含む膜表面に窪みが形成されるので、金属膜を含む膜で形成されるパターンと下層の接続孔とのアライメントを正確に行うことができるという利点がある。 According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the connection hole leading to the first conductive portion is formed in the second insulating film and the recess is formed from the second insulating film to the first insulating film. Therefore, there is an advantage that mask misalignment does not occur between the connection hole and the concave portion. In addition, the conductive film is formed on the second insulating film so that the connection hole is embedded and at least a part of the concave portion is lower than the surface of the second insulating film in the recess, and then the conductive film on the second insulating film is removed. The second conductive portion is formed of the conductive film embedded in the connection portion and the alignment mark is formed in the recess so that at least a part of the conductive film is lower than the surface of the second insulating film. Since it is formed in a state in which at least a part is recessed from its surroundings, even if a film including a metal film is formed on the alignment mark, the depression of the alignment mark is transferred to the film surface including the metal film, Since the depression is formed on the film surface including the metal film, there is an advantage that the pattern formed by the film including the metal film and the lower connection hole can be accurately aligned.
本発明の半導体装置は、アライメントマークが第2絶縁膜から第1絶縁膜にかけて接続孔と同時に形成された凹部に第2絶縁膜表面よりも低くなるように第2導電部を構成する導電膜と同一層の導電膜を埋め込んで形成されているため、アライメントマーク上に金属膜を含む膜を成膜しても、その金属膜を含む膜表面にはアライメントマークの窪みが転写され、金属膜を含む膜表面に窪みが形成されるので、金属膜を含む膜で形成されるパターンと下層の接続孔とのアライメントを正確に行うことができるという利点がある。 The semiconductor device of the present invention includes a conductive film that constitutes the second conductive portion such that the alignment mark is lower than the surface of the second insulating film in a recess formed simultaneously with the connection hole from the second insulating film to the first insulating film. Since the conductive film of the same layer is embedded, even if a film including a metal film is formed on the alignment mark, the depression of the alignment mark is transferred to the surface of the film including the metal film. Since the depression is formed on the surface of the film including the film, there is an advantage that alignment between the pattern formed of the film including the metal film and the connection hole in the lower layer can be performed accurately.
金属層を形成した状態で金属層よりも下層のパターン(例えば、埋め込み配線もしくは埋め込みプラグ)との位置合わせを行うという目的を、金属膜を含む膜のアライメント対象となる下層のパターンを形成すると同時に、周囲よりも少なくとも一部が窪んだ状態のアライメントマークを形成することで実現した。 At the same time as forming the lower layer pattern to be aligned with the film including the metal film, the purpose is to perform alignment with a pattern (for example, embedded wiring or embedded plug) below the metal layer in a state where the metal layer is formed. This is realized by forming an alignment mark in which at least a part is recessed from the periphery.
本発明のアライメントマークの形成方法に係る一実施例を、図1の製造工程断面図によって説明する。 One embodiment of the alignment mark forming method of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view of the manufacturing process of FIG.
図1(1)に示すように、絶縁膜11に下層のパターン(例えば接続孔もしくは配線)を形成するための凹部12を形成するとともに、アライメントマークが形成される凹部13を形成する。その際、アライメントマークが形成される凹部13は下層パターンが形成される凹部12よりも幅広にかつ深く形成されている。すなわち、凹部12を金属膜で埋め込んだ際に、凹部13に埋め込まれた金属膜表面に窪みが形成されるように、凹部13の幅および深さは形成される。
As shown in FIG. 1A, a
次に、図1(2)に示すように、上記凹部12内に下層のパターンを形成するための金属膜を堆積する。例えば、スパッタリングでバリアメタル層14を堆積した後、めっきシード層(図示せず)を形成し、めっき方法によって凹部12を完全に埋め込むように導電膜16を形成する。このとき、凹部13は、凹部12よりも幅広にかつ深く形成されているため、導電膜16表面には絶縁膜11表面よりも低くなる窪み17が形成される。
Next, as shown in FIG. 1B, a metal film for forming a lower layer pattern is deposited in the
次に、図1(3)に示すように、上記絶縁膜11上の上記導電膜16を除去し、絶縁膜11表面を平坦化する。この導電膜16の除去工程は、例えば化学的機械研磨法によって行う。その結果、凹部12にはバリアメタル層14を介した導電膜16(めっきシード層も含む)からなる導電部18が形成されるとともに、凹部13には周囲、すなわち絶縁膜11表面よりも少なくとも一部が窪んだ状態のアライメントマーク19が形成される。
Next, as shown in FIG. 1C, the
次に、図1(4)に示すように、上記絶縁膜11上に金属膜を含む膜21を形成する。このように金属膜を含む膜21を形成した場合には、アライメントマーク19の上部に窪み20が形成されているため、その窪み20は金属膜を含む膜21表面に転写され、金属膜を含む膜21表面にも窪み22が形成される。この窪み22が金属膜を含む膜21をパターニングする際のアライメントマークとなる。
Next, as shown in FIG. 1 (4), a film 21 including a metal film is formed on the insulating
上記アライメントマークの形成方法は、金属膜を含む膜21のアライメント対象となる下層の導電部18を形成すると同時にアライメントマーク19を形成するため、いわゆるマスク工程も同時に行われることになる。すなわち、同一マスクで下層の導電部18が形成される凹部12とアライメントマーク19が形成される凹部13とが形成されることになるので、下層の導電部18とアライメントマーク19とではマスク合わせずれは発生しないという利点がある。また、アライメントマーク19はその周囲よりも少なくとも一部が窪んだ状態に形成されるため、アライメントマーク19上に金属膜を含む膜21を成膜しても、その金属膜を含む膜21表面にはアライメントマーク19の窪み20が転写され、金属膜を含む膜21表面に窪み22が形成されるので、金属膜を含む膜21を用いて形成されるパターンと下層の導電部18とのアライメントを正確に行うことができるという利点がある。また、本発明のアライメントマークの形成方法は、金属膜を含む膜を成膜する代わりにアライメント光を透過しない膜(アライメント光に対して不透明な膜)もしくは透過し難い膜を成膜するような場合にも有効である。
In the method of forming the alignment mark, the so-called mask process is also performed at the same time as the formation of the alignment mark 19 at the same time as the formation of the lower conductive portion 18 to be aligned with the film 21 including the metal film. That is, since the
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施例を、図2〜図5の製造工程断面図によって説明する。図2〜図5では、いわゆる溝配線構造を用いたMRAMの製造方法を一例にして説明する。 Next, an embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the manufacturing process sectional views of FIGS. 2 to 5, an example of a method for manufacturing an MRAM using a so-called trench wiring structure will be described.
図2(1)に示すように、素子、配線、絶縁膜等が形成された半導体素子基板30がある。
As shown in FIG. 2A, there is a
上記半導体素子基板30には、図示はしないが、例えば、選択素子として電界効果型トランジスタが形成されている。この電界効果トランジスタは読み出しのためのスイッチング素子として機能する。このスイッチング素子は、n型電界効果トランジスタまたはp型電界効果トランジスタの他に、ダイオード、バイポーラトランジスタ等の各種スイッチング素子を用いることも可能である。さらに上記半導体素子基板30には、上記電界効果型トランジスタを覆う状態に絶縁膜が形成され、この絶縁膜には上記選択素子に接続するコンタクト、センス線等が形成されている。
Although not shown in the figure, for example, a field effect transistor is formed as a selection element on the
上記構成の半導体素子基板30上に第1絶縁膜41を形成する。この第1絶縁膜41は、エッチングストッパ層411と層間絶縁膜412との2層構造を成すように形成され、例えばエッチングストッパ層411を窒化シリコン(SiN)膜もしくは炭化シリコン(SiC)膜で形成し、層間絶縁膜412を酸化シリコン膜で形成する。この層間絶縁膜は酸化物系の絶縁膜(例えばSiO2膜、SiOF膜、SiOC膜)もしくは有機系の絶縁膜、もしくはそれらを適宜組み合わせた積層膜等で形成することもできる。通常の溝配線を形成する技術を用いて、上記第1絶縁膜41に、ワード線を形成するための溝413、上記コンタクトに接続する第1電極を形成するための溝414を形成する。それらの溝内にバリアメタル層511を介して導電材料層512、例えば銅もしくは銅合金を堆積させた後、第1絶縁膜41上の不要な導電材料層およびバリアメタル層を除去して、溝内にバリアメタル層を介して導電材料層からなる第1電極51(第1導電部)、ワード線31等を形成する。上記バリアメタル層は、後に説明するバリアメタル層と同様な材料で形成することができる。また、導電材料層およびバリアメタル層の除去は、例えば化学的機械研磨によって行える。
A first insulating
次いで、上記第1絶縁膜41上に第2絶縁膜42を形成する。この第2絶縁膜42は、上記第1絶縁膜41と同様に、エッチングストッパ層421と層間絶縁膜422との2層構造を成すように形成される。また第2絶縁膜42の表面は平坦化されている。上記第2絶縁膜42を構成するエッチングストッパ層421となる絶縁膜は、銅の拡散を防止するとともに銅配線への酸素の侵入を防止する膜としても機能することが好ましく、例えば、窒化膜もしくは炭化膜で形成される。
Next, a second insulating
次に、上記第2絶縁膜42に第1電極51に通じる接続孔を形成するとともに第2絶縁膜42から第1絶縁膜41にかけてアライメントマークを形成するための凹部を形成する工程を行う。その詳細を以下に説明する。
Next, a step of forming a connection hole leading to the
まず、図2(2)に示すように、上記第2絶縁膜42上に第1レジスト膜61を形成する。次いで、通常のリソグラフィー工程(露光工程、現像工程等)を行って、コンタクト部を形成するための凹部(以下、接続孔とする)、次の層との位置合わせを取るためのアライメントマークを形成する凹部を形成するための開口部62、63を形成する。その後、上記第1レジスト膜61をエッチングマスクに用いて、上記層間絶縁膜422をエッチングし、コンタクトを形成するための接続孔71およびアライメントマークを形成するための凹部72を形成する。
First, as shown in FIG. 2B, a first resist
次いで、図2(3)に示すように、上記第1レジスト膜61を残した状態で、さらに第2レジスト膜65を成膜する。上記第1レジスト膜61、第2レジスト膜65は同一種のレジストを用いることができるが、異なる種類のレジストを用いてもよい。次いで、通常のリソグラフィー工程(露光工程、現像工程等)を行って、上記アライメントマークを形成するための凹部72上のみに開口部66を形成する。したがって、第1レジスト膜61を用いて形成した接続孔71は第2レジスト膜65によって埋め込まれた状態に覆われることになる。
Next, as shown in FIG. 2 (3), a second resist
次いで、図3(4)に示すように、上記第2レジスト膜65および第1レジスト膜61をエッチングマスクに用いて、上記エッチングストッパ層421および第1絶縁膜41の層間絶縁膜412をエッチングし、上記凹部72を下方に延長形成させる。その後、第1レジスト膜61および第2レジスト膜65を除去する。
Next, as shown in FIG. 3D, the
その後、図3(5)に示すように、接続孔71、凹部72の各底部に形成されているエッチングストッパ層421、411をエッチング除去する。このようにして、第2絶縁膜42に第1導電部の第1電極51に通じる接続孔71が形成されるとともに第2絶縁膜42から第1絶縁膜41にかけてアライメントマークを形成する凹部72が形成される。上記凹部72は上記接続孔71よりも深くかつ幅広に形成する必要がある。上記凹部72の深さは、上記説明ではワード線11の底面と同等な深さ、すなわち第1絶縁膜41を除去した深さとなっているが、凹部72は、接続孔71よりも深く形成されるならば、どの層までエッチングするのかは特に問わない。
Thereafter, as shown in FIG. 3 (5), the etching stopper layers 421 and 411 formed on the bottoms of the
次に、図3(6)に示すように、上記第2絶縁膜42上に、上記接続孔71を埋め込むとともに上記凹部72においては第2絶縁膜42表面よりも少なくとも一部が低くなるように導電膜81を形成する。この導電膜81は、例えばバリアメタル層82と導電材料層83からなる。以下、導電膜81の成膜工程を詳細に説明する。
Next, as shown in FIG. 3 (6), the
まず、第2絶縁膜42上に上記接続孔71および凹部72の各内面を被覆するようにバリアメタル層82を形成する。このバリアメタル層82は、例えばスパッタリングにより形成され、銅の拡散、反応を防止する材料で形成される。そのような材料としては、例えば、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、タングステン(W)、窒化タングステン(WN)、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)などが挙げられる。次いで、銅めっきのシード層(図示せず)を形成した後、めっき法によって埋め込みの主材料となる導電材料層83を形成する。この導電材料層83は、例えば銅(Cu)を堆積して形成する。このとき、導電材料層83は、第2絶縁膜42上に堆積されるが、上記接続孔71を埋め込むとともに上記凹部72においては第2絶縁膜42表面よりも少なくとも一部が低くなるように形成されることが重要である。上記導電材料層83は、銅(Cu)の他に銅合金で形成することも可能である。
First, the
次いで、図4(7)に示すように、第2絶縁膜42上の導電膜81(導電材料層83とバリアメタル層82)を除去して、接続孔71内に埋め込んだ上記導電膜81で第2導電部(プラグ)52を形成するとともに、上記凹部72内に導電膜81の少なくとも一部が第2絶縁膜42表面よりも低くなる状態のアライメントマーク53を形成する。上記導電膜81の除去は、例えば化学的機械研磨法により行う。
Next, as shown in FIG. 4 (7), the conductive film 81 (
次いで、図4(8)に示すように、上記第2絶縁膜42上に上記プラグ52およびアライメントマーク53を被覆する下部電極層84を形成する。さらに下部電極層84上に記憶素子を構成するTMR層85を形成する。
Next, as shown in FIG. 4 (8), a
上記下部電極層84は、詳細は図示しないが、例えば、導電層の単層構造もしくは導電層と反強磁性体層との積層構造からなる。上記導電層は、例えば窒化チタン(TiN)、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)などが挙げられる。また反強磁性体層は、例えば、鉄・マンガン(Fe−Mn)合金、ニッケル・マンガン(Ni−Mn)合金、白金・マンガン(Pt−Mn)合金、イリジウム・マンガン(Ir−Mn)合金、ロジウム・マンガン(Rh−Mn)合金、コバルト酸化物およびニッケル酸化物からなる、もしくはそれらの積層構造が挙げられる。
Although not shown in detail, the
また上記TMR層85は、詳細は図示しないが、一例として、強磁性体層からなる磁化固定層と、磁化固定層上に形成されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層上に形成されたもので磁化が比較的容易に回転する記憶層とから構成されている。またTMR層85上には図示はしないが導電性材料からなるキャップ層が形成されている。
Although not shown in detail, the
上記記憶層、第1の磁化固定層は、例えば、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)もしくはコバルト(Co)、またはニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびコバルト(Co)のうちの少なくとも2種からなる合金のような、強磁性体からなる。上記導電体層は、例えば、ルテニウム(Ru)、銅(Cu)、クロム(Cr)、金(Au)、銀(Ag)等で形成される。上記第1の磁化固定層は、反強磁性体層と接する状態に形成されていて、これらの層間に働く交換相互作用によって、第1の磁化固定層は、強い一方向の磁気異方性を有している。 The memory layer and the first magnetization fixed layer are, for example, at least two of nickel (Ni), iron (Fe) or cobalt (Co), or nickel (Ni), iron (Fe) and cobalt (Co) It is made of a ferromagnetic material such as an alloy made of The conductor layer is made of, for example, ruthenium (Ru), copper (Cu), chromium (Cr), gold (Au), silver (Ag), or the like. The first magnetization pinned layer is formed in contact with the antiferromagnetic layer, and the first magnetization pinned layer exhibits a strong unidirectional magnetic anisotropy due to exchange interaction between these layers. Have.
上記トンネル絶縁層は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、酸化窒化マグネシウムもしくは酸化窒化シリコンからなる。上記トンネル絶縁層は、上記記憶層と上記磁化固定層との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための機能を有する。これらの磁性膜および導電体膜は、主に、スパッタリング法によって形成される。トンネル絶縁層は、スパッタリング法によって形成された金属膜を酸化、窒化もしくは酸化窒化させることにより得ることができる。 The tunnel insulating layer is made of, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, aluminum nitride, magnesium nitride, silicon nitride, aluminum oxynitride, magnesium oxynitride, or silicon oxynitride. The tunnel insulating layer has a function of cutting the magnetic coupling between the storage layer and the magnetization fixed layer and flowing a tunnel current. These magnetic films and conductor films are mainly formed by sputtering. The tunnel insulating layer can be obtained by oxidizing, nitriding or oxynitriding a metal film formed by a sputtering method.
上記キャップ層は、記憶素子13と別の記憶素子13とを接続する配線との相互拡散防止、接触抵抗低減および記憶層の酸化防止という機能を有する。通常、窒化タンタル(TaN)、タンタル(Ta)、窒化チタン(TiN)、チタン(Ti)等のバリア性のある材料により形成されている。もしくは銅、銅合金等で形成することもできる。
The cap layer has functions of preventing mutual diffusion between the
次いで、図4(9)に示すように、上記TMR層85上にレジスト膜を形成し、通常のリソグラフィー工程(露光工程、現像工程等)を行って、記憶素子(TMR素子)を形成するレジストパターン67を形成する。このリソグラフィー工程の露光工程では、アライメントマーク53の段差(窪み54)が転写されて形成されたTMR層85の段差(窪み86)を検出して、第2導電部(プラグ)52とTMR素子形成箇所のアライメントをとり、レジスト膜の露光を行う。このようにして、レジスト膜からなるレジストパターン67を形成する。
Next, as shown in FIG. 4 (9), a resist film is formed on the
次いで、図5(10)に示すように、上記レジストパターン67をエッチングマスクに用いて、上記TMR層85をエッチングし、TMR層85で記憶素子(TMR素子)33を形成する。その後、上記レジストパターン67を除去する。なお、TMR層85とキャップ層(図示せず)とは同時にパターニングされることができる。
Next, as shown in FIG. 5 (10), the
次いで、図5(11)に示すように、上記下部電極層84上にレジスト膜を形成し、通常のリソグラフィー工程(露光工程、現像工程等)を行って、下部電極を形成するレジストパターン(図示せず)を形成する。このリソグラフィー工程の露光工程では、アライメントマーク53の段差(窪み54)が転写されて形成された下部電極層84の段差(窪み)を検出して、第2導電部(プラグ)52と下部電極形成箇所のアライメントをとり、レジスト膜の露光を行う。このようにして、レジスト膜からなる上記レジストパターンを形成する。次いで、このレジストパターンをエッチングマスクに用いて、上記下部電極層84をエッチングし、下部電極層84で下部電極34を形成する。なお、反強磁性体層上に磁化固定層を延長した状態で下部電極34が構成されてもよい。
Next, as shown in FIG. 5 (11), a resist film is formed on the
その後、図5(12)に示すように、記憶素子33を被覆する第3絶縁膜43を形成した後、記憶素子33の上面に形成されているキャップ層(図示せず)を露出させるように第3絶縁膜43表面の平坦化を行う。その後、通常の配線形成技術を用いて、上記ワード線31と記憶素子33を間にして立体的に交差(例えば直交)するビット線32を形成する。もしくは、図示はしないが、記憶素子33を被覆する状態に第3絶縁膜43を形成した後、第3絶縁膜43に記憶素子33のキャップ層に達する接続孔を開口し、その接続孔を通じてキャップ層に接続するように上記ビット線32を形成してもよい。もしくはその接続孔にプラグを形成した後、上記ビット線32を形成してもよい。
Thereafter, as shown in FIG. 5 (12), after forming a third insulating
なお、上記説明した記憶素子33は、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunnel Magnetic Resistance)効果を有するものであればよく、上記構成に限定されることはない。一例として、上記反強磁性体層上に形成される磁化固定層を、第1の磁化固定層と磁性層が反強磁性的に結合するような導電体層と第2の磁化固定層とを順に積層して形成することもできる。この磁化固定層は積層構造であっても、強磁性体層の単層構造であってもよく、もしくは3層以上の強磁性体層を、導電体層を挟んで積層させた構造であってもよい。また上記反強磁性体層の下地に、TMR素子と直列に接続されるスイッチング素子との接続に用いられる下地導電層(図示せず)を形成することも可能である。また、下地導電層を反強磁性体層によって兼ねることも可能である。
The
また、上記TMR層85をパターニングする際に、TMR層85の上部に、例えば酸化膜、窒化膜等の絶縁膜をハードマスクとして成膜、加工しても構わない。また下部電極を加工する際もTMR層を加工する際と同様に、例えば酸化膜、窒化膜等の絶縁膜をハードマスクとして成膜、加工しても構わない。
Further, when the
上記半導体装置の製造方法では、第2絶縁膜42に第1導電部の第1電極51に通じる接続孔71を形成するとともに第2絶縁膜42から第1絶縁膜41にかけて凹部72を形成するため、同一マスクによって接続孔71と凹部72とを形成することができるので、接続孔71と凹部72とではマスク合わせずれが発生しないという利点がある。また、第2絶縁膜42上に、接続孔71を埋め込むとともに凹部72においては第2絶縁膜42表面よりも少なくとも一部が低くなるように窪みを有する導電膜81を形成した後、第2絶縁膜42上の導電膜81を除去して接続孔71内に埋め込んだ導電膜81で第2導電部52を形成するとともに、凹部72内に導電膜81の少なくとも一部が第2絶縁膜42表面よりも低くなる状態のアライメントマーク53を形成することから、アライメントマーク53はその周囲よりも少なくとも一部が窪んだ状態に形成されるため、アライメントマーク53上に金属膜、例えば下部電極層84、TMR層85を成膜しても、その下部電極層84、TMR層85表面にはアライメントマーク53の窪み54が転写され、下部電極層84、TMR層85表面に窪みが形成されるので、下部電極層84、TMR層85で形成される下部電極34、記憶素子33と下層の第1導電部51(接続孔71)とのアライメントを正確に行うことができるという利点がある。
In the semiconductor device manufacturing method, the
したがって、微細化、高集積化に対応したデバイスの作成ができ、そして信頼性の高い配線形成ができる。本発明の半導体装置の製造方法は、MRAMに限らず、銅(Cu)配線、銅(Cu)プラグを用いた場合においても、アライメントマークのみをフィールドに対して段差を形成することが可能になり、特に、MRAMデバイスで一般的な構造と考えられる下部電極や、TMR層を成膜した状態で、下層のアライメントマークを検出することが可能になる。また、銅(Cu)配線、銅(Cu)プラグの形成プロセスは、従来使われてきた成膜プロセス、研磨プロセス等を大きく変更するものでは無いので、配線の信頼性や歩留まり等を劣化させる懸念無しに導入できる。 Therefore, a device corresponding to miniaturization and high integration can be created, and highly reliable wiring can be formed. The manufacturing method of the semiconductor device of the present invention is not limited to MRAM, and even when copper (Cu) wiring or copper (Cu) plug is used, it is possible to form a step with respect to the field only for the alignment mark. In particular, it is possible to detect a lower alignment mark in a state where a lower electrode considered to be a general structure in an MRAM device or a TMR layer is formed. Further, the formation process of copper (Cu) wiring and copper (Cu) plug does not greatly change the conventionally used film forming process, polishing process, etc., so there is a concern that the reliability of the wiring, the yield, etc. may be deteriorated. Can be introduced without.
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施例を、図6の概略構成断面図によって説明する。図6では、いわゆる溝配線構造を用いたMRAMを一例にして説明する。 Next, an embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG. In FIG. 6, an MRAM using a so-called trench wiring structure will be described as an example.
図6に示すように、素子、配線、絶縁膜等が形成された半導体素子基板30がある。上記半導体素子基板30には、図示はしないが、例えば、選択素子として電界効果型トランジスタが形成されている。この電界効果トランジスタは読み出しのためのスイッチング素子として機能する。このスイッチング素子は、n型電界効果トランジスタまたはp型電界効果トランジスタの他に、ダイオード、バイポーラトランジスタ等の各種スイッチング素子を用いることも可能である。さらに上記半導体素子基板30には、上記電界効果型トランジスタを覆う状態に絶縁膜が形成され、この絶縁膜には上記選択素子に接続するコンタクト、センス線等が形成されている。
As shown in FIG. 6, there is a
上記構成の半導体素子基板30上には第1絶縁膜41が形成されている。この第1絶縁膜41は、エッチングストッパ層411と層間絶縁膜412との2層構造を成すように形成され、例えばエッチングストッパ層411は窒化シリコン(SiN)膜もしくは炭化シリコン(SiC)膜で形成され、層間絶縁膜412は酸化シリコン膜で形成されている。この層間絶縁膜は酸化物系の絶縁膜(例えばSiO2膜、SiOF膜、SiOC膜)もしくは有機系の絶縁膜、もしくはそれらを適宜組み合わせた積層膜等で形成することもできる。上記第1絶縁膜41には、溝配線構造のワード線31、上記コンタクトに接続する第1電極51(第1導電部)等が形成されている。
A first insulating
上記第1絶縁膜41上には第2絶縁膜42が形成されている。この第2絶縁膜42は、上記第1絶縁膜41と同様に、エッチングストッパ層421と層間絶縁膜422との2層構造を成すように形成されている。また第2絶縁膜42の表面は平坦化されている。上記第2絶縁膜42を構成するエッチングストッパ層421となる絶縁膜は、銅の拡散を防止するとともに銅配線への酸素の侵入を防止する膜としても機能することが好ましく、例えば、窒化膜もしくは炭化膜で形成される。
A second insulating
上記第2絶縁膜42には、第1電極51に通じる接続孔71の内部に第2導電部(プラグ)52が形成されているとともに第2絶縁膜42から第1絶縁膜41にかけて形成される凹部72の内部に第2絶縁膜42表面よりも少なくとも一部が低くなるアライメントマーク53が形成されている。上記第2導電部(プラグ)52、ワード線31、上記選択素子等が形成されているメモリ領域上の第2絶縁膜42表面は平坦化されており、上記アライメントマーク53の部分にのみ、段差となる窪み54が形成されている。
In the second insulating
さらに上記第2絶縁膜42上には、上記第2導電部52に接続する下部電極34がワード線31の上方に引き出されるように形成されている。さらにワード線31上方の下部電極34上には記憶素子33が形成されている。上記下部電極34および上記記憶素子33は前記第2実施例で説明したものと同様の構成とすることができる。
Further, a
すなわち、上記下部電極34は、詳細は図示しないが、例えば、導電層の単層構造もしくは導電層と反強磁性体層との積層構造からなる。上記導電層は、例えば窒化チタン(TiN)、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)などが挙げられる。また反強磁性体層は、例えば、鉄・マンガン(Fe−Mn)合金、ニッケル・マンガン(Ni−Mn)合金、白金・マンガン(Pt−Mn)合金、イリジウム・マンガン(Ir−Mn)合金、ロジウム・マンガン(Rh−Mn)合金、コバルト酸化物およびニッケル酸化物からなる、もしくはそれらの積層構造が挙げられる。なお、反強磁性体層上に磁化固定層を延長した状態で下部電極34が構成されてもよい。
That is, although not shown in detail, the
また上記記憶素子33は、詳細は図示しないが、一例として、強磁性体層からなる磁化固定層と、磁化固定層上に形成されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層上に形成されたもので磁化が比較的容易に回転する記憶層とから構成されている。また記憶層上には導電性材料からなるキャップ層が形成されている。
Further, although not shown in detail, the
上記記憶層、第1の磁化固定層は、例えば、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)もしくはコバルト(Co)、またはニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびコバルト(Co)のうちの少なくとも2種からなる合金のような、強磁性体からなる。上記導電体層は、例えば、ルテニウム(Ru)、銅(Cu)、クロム(Cr)、金(Au)、銀(Ag)等で形成される。上記第1の磁化固定層は、反強磁性体層と接する状態に形成されていて、これらの層間に働く交換相互作用によって、第1の磁化固定層は、強い一方向の磁気異方性を有している。 The memory layer and the first magnetization fixed layer are, for example, at least two of nickel (Ni), iron (Fe) or cobalt (Co), or nickel (Ni), iron (Fe) and cobalt (Co) It is made of a ferromagnetic material such as an alloy made of The conductor layer is made of, for example, ruthenium (Ru), copper (Cu), chromium (Cr), gold (Au), silver (Ag), or the like. The first magnetization pinned layer is formed in contact with the antiferromagnetic layer, and the first magnetization pinned layer exhibits a strong unidirectional magnetic anisotropy due to exchange interaction between these layers. Have.
上記トンネル絶縁層は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、酸化窒化マグネシウムもしくは酸化窒化シリコンからなる。上記トンネル絶縁層は、上記記憶層と上記磁化固定層との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための機能を有する。これらの磁性膜および導電体膜は、主に、スパッタリング法によって形成される。トンネル絶縁層は、スパッタリング法によって形成された金属膜を酸化、窒化もしくは酸化窒化させることにより得ることができる。 The tunnel insulating layer is made of, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, aluminum nitride, magnesium nitride, silicon nitride, aluminum oxynitride, magnesium oxynitride, or silicon oxynitride. The tunnel insulating layer has a function of cutting the magnetic coupling between the storage layer and the magnetization fixed layer and flowing a tunnel current. These magnetic films and conductor films are mainly formed by sputtering. The tunnel insulating layer can be obtained by oxidizing, nitriding or oxynitriding a metal film formed by a sputtering method.
上記キャップ層は、記憶素子13と別の記憶素子13とを接続する配線との相互拡散防止、接触抵抗低減および記憶層の酸化防止という機能を有する。通常、窒化タンタル(TaN)、タンタル(Ta)、窒化チタン(TiN)、チタン(Ti)等のバリア性のある材料により形成されている。もしくは銅、銅合金等で形成することもできる。
The cap layer has functions of preventing mutual diffusion between the
さらに、記憶素子33を被覆する第3絶縁膜43が形成されている。この第3絶縁膜43は、記憶素子33の上面に形成されているキャップ層(図示せず)を露出させるように表面が平坦化されている。この第3絶縁膜43上には、上記ワード線31と記憶素子33を間にして立体的に交差するビット線32が形成されている。もしくは、図示はしないが、記憶素子33を被覆する状態に第3絶縁膜43が形成され、この第3絶縁膜43に記憶素子33のキャップ層に達する接続孔が開口され、その接続孔を通じてキャップ層に接続するように上記ビット線32が形成されていてもよい。もしくはその接続孔に形成したプラグに接続するように上記ビット線32が形成されていてもよい。
Further, a third insulating
なお、上記説明した記憶素子33は、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunnel Magnetic Resistance)効果を有するものであればよく、上記構成に限定されることはない。一例として、上記反強磁性体層上に形成される磁化固定層を、第1の磁化固定層と磁性層が反強磁性的に結合するような導電体層と第2の磁化固定層とを順に積層して形成することもできる。この磁化固定層は積層構造であっても、強磁性体層の単層構造であってもよく、もしくは3層以上の強磁性体層を、導電体層を挟んで積層させた構造であってもよい。また上記反強磁性体層の下地に、TMR素子と直列に接続されるスイッチング素子との接続に用いられる下地導電層(図示せず)を形成することも可能である。また、下地導電層を反強磁性体層によって兼ねることも可能である。
The
上記半導体装置(MRAM)は、アライメントマーク53が第2絶縁膜42から第1絶縁膜41にかけて接続孔71と同時に形成された凹部72に第2絶縁膜42表面よりも低くなるように第2導電部52を構成する導電膜と同一層の導電膜を埋め込んで形成されているため、アライメントマーク53上に下部電極34や記憶素子33を形成するための金属膜を含む膜を成膜しても、その金属膜を含む膜表面にはアライメントマーク53の窪み54が転写され、金属膜を含む膜表面に窪みが形成されるので、金属膜を含む膜等で形成される下部電極34や記憶素子33と下層の接続孔71とのアライメントを正確に行うことができるという利点がある。これにより、ワード線31と記憶素子33の位置合わせが正確にできるようになり、記憶素子33への書き込み効率を高めることができるという効果が得られ、MRAMの性能向上が図れる。
In the semiconductor device (MRAM), the second conductive film is formed so that the
上記実施例では、銅もしくは銅合金プラグに対して、TMR素子の位置合わせをとる場合を例にして説明したが、めっき法により素子もしくは配線、電極等を形成する凹部に銅もしくは銅合金の埋め込みを行うとともに、アライメントマークを形成する箇所の凹部に銅もしくは銅合金の埋め込みを行い、そのアライメントマークの少なくとも一部がその周囲表面よりも深く形成されていることによって、アライメントマークに段差が形成されていることを特徴としていれば、本発明のアライメントマークの形成方法および半導体装置の製造方法を適用する箇所は、上記説明した箇所に限定されない。 In the above embodiment, the case where the position of the TMR element is aligned with respect to the copper or copper alloy plug has been described as an example. However, the copper or copper alloy is embedded in the recess for forming the element, wiring, electrode, or the like by plating. In addition, copper or copper alloy is embedded in the concave portion where the alignment mark is to be formed, and at least part of the alignment mark is formed deeper than the surrounding surface, thereby forming a step in the alignment mark. If it is characterized, the location which applies the formation method of the alignment mark of this invention and the manufacturing method of a semiconductor device is not limited to the location demonstrated above.
本発明のアライメントマークの形成方法および半導体装置の製造方法および半導体装置は、埋め込み銅配線もしくは埋め込み銅プラグのような表面の少なくとも一部が平坦化された上層に金属膜を含む膜を成膜した状態で下層の合わせマークを検出する技術に適用することができ、特に、MRAM(Magnetic Random Access Memory)デバイスに適用することができる。 In the alignment mark forming method, the semiconductor device manufacturing method, and the semiconductor device according to the present invention, a film including a metal film is formed on an upper layer in which at least a part of the surface is planarized, such as a buried copper wiring or a buried copper plug. The present invention can be applied to a technique for detecting a lower alignment mark in a state, and in particular, can be applied to an MRAM (Magnetic Random Access Memory) device.
11…絶縁膜、12…凹部、13…凹部、18…下層のパターン、19…アライメントマーク、21…金属膜を含む膜
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記金属膜を含む膜をパターニングする際のアライメント対象となる前記下層のパターンを前記絶縁膜に形成した凹部に埋め込んで形成すると同時に、前記絶縁膜に形成した別の凹部に前記絶縁膜表面よりも少なくとも一部が窪んだ状態のアライメントマークを前記下層のパターンと同一層で形成する
ことを特徴とするアライメントマークの形成方法。 Formation of an alignment mark used for alignment with a lower layer pattern than a film including a metal film when patterning a film including a metal film formed on the entire surface of a substrate having an insulating film formed on the surface In the method
The lower layer pattern to be aligned when patterning the film including the metal film is formed by being embedded in a recess formed in the insulating film, and at the same time, in another recess formed in the insulating film than the surface of the insulating film. An alignment mark forming method comprising: forming an alignment mark in a state where at least a part thereof is depressed in the same layer as the lower layer pattern.
ことを特徴とする請求項1記載のアライメントマークの形成方法。 The method for forming an alignment mark according to claim 1, wherein the film including the metal film is formed by transferring a depression of the alignment mark.
前記第1絶縁膜上に前記第1導電部を被覆する第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜に前記第1導電部に通じる接続孔を形成するとともに前記第2絶縁膜から前記第1絶縁膜にかけて凹部を形成する工程と、
前記第2絶縁膜上に、前記接続孔を埋め込むとともに前記凹部においては前記第2絶縁膜表面よりも少なくとも一部が低くなるように導電膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜上の前記導電膜を除去して、前記接続孔内に埋め込んだ前記導電膜で第2導電部を形成するとともに、前記凹部内に前記導電膜の少なくとも一部が前記第2絶縁膜表面よりも低くなる状態のアライメントマークを形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first conductive portion in the first insulating film formed on the substrate in a state where an upper surface thereof is exposed;
Forming a second insulating film covering the first conductive portion on the first insulating film;
Forming a connection hole leading to the first conductive portion in the second insulating film and forming a recess from the second insulating film to the first insulating film;
Forming a conductive film on the second insulating film so as to fill the connection hole and at least partially lower the surface of the second insulating film in the recess;
The conductive film on the second insulating film is removed to form a second conductive portion with the conductive film embedded in the connection hole, and at least a part of the conductive film is formed in the recess in the second portion. And a step of forming an alignment mark in a state of being lower than the surface of the insulating film.
前記第2絶縁膜上に第1レジスト膜を形成した後、前記第1レジスト膜に前記接続孔および前記凹部を形成するための開口部を形成する工程と、
前記第1レジスト膜をエッチングマスクに用いて前記第2絶縁膜に前記接続孔と前記凹部の上部とを形成する工程と、
前記第1レジスト膜上に第2レジスト膜を形成した後、前記第1レジスト膜に形成した凹部を形成するための開口部上のみの前記第2レジスト膜に開口部を形成する工程と、
前記第2レジスト膜と前記第1レジスト膜とをエッチングマスクに用いて前記第2絶縁膜に形成した凹部の上部を前記第1絶縁膜に延長形成して凹部を形成する工程と、
前記第1レジスト膜と前記第2レジスト膜とを除去する工程と
からなることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。 Forming a connection hole leading to the first conductive portion in the second insulating film and forming a recess from the second insulating film to the first insulating film;
Forming a first resist film on the second insulating film, and then forming an opening for forming the connection hole and the recess in the first resist film;
Forming the connection hole and the upper portion of the recess in the second insulating film using the first resist film as an etching mask;
Forming a second resist film on the first resist film, and then forming an opening in the second resist film only on the opening for forming a recess formed in the first resist film;
Forming a recess by extending an upper portion of the recess formed in the second insulating film using the second resist film and the first resist film as an etching mask to the first insulating film;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, comprising: removing the first resist film and the second resist film.
前記第1導電部を被覆するもので前記第1絶縁膜上に形成された第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜に形成された前記第1導電部に通じる接続孔を通して前記第1導電部に接続する第2導電部と、
アライメント時の位置合わせマークとなるもので、前記第2絶縁膜から前記第1絶縁膜にかけて前記接続孔と同時に形成された凹部に前記第2絶縁膜表面よりも低くなるように前記第2導電部を構成する導電膜と同一層の導電膜を埋め込んで形成したアライメントマークと
を備えたことを特徴とする半導体装置。 A first conductive portion embedded in a first insulating film formed on the substrate;
A second insulating film covering the first conductive portion and formed on the first insulating film;
A second conductive portion connected to the first conductive portion through a connection hole communicating with the first conductive portion formed in the second insulating film;
The second conductive portion is used as an alignment mark at the time of alignment, and is lower than the surface of the second insulating film in a recess formed simultaneously with the connection hole from the second insulating film to the first insulating film. And an alignment mark formed by embedding a conductive film in the same layer as the conductive film constituting the semiconductor device.
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