JP2005150396A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマ処理を用いた半導体装置の製造方法及びそれによって製造された半導体装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using plasma processing and a semiconductor device manufactured thereby.
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。 In recent years, high integration has been greatly progressed in a semiconductor device including a semiconductor integrated circuit. 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.
また、このような半導体装置の配線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。更に、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、この点からもプラズマプロセスの利用は年々増加傾向にある。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。 Further, in such a wiring formation process of a semiconductor device, the use of a plasma process typified by plasma CVD or plasma etching is increasing. Furthermore, the plasma process is frequently used not only at the time of etching but also at the time of film formation. From this point of view, the use of the plasma process tends to increase year by year. 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.
しかしながら、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(例えば、非特許文献1を参照)。 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 increased in recent years (see, for example, Non-Patent Document 1).
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。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。 A semiconductor device that has been subjected to such plasma charging damage is a defective product because the device characteristics deteriorate. In the problem of plasma charging damage, particularly, deterioration of reliability in the gate insulating film is a serious problem.
例えば、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。この場合、Cu配線の形成にはダマシン法が利用される。ダマシン法を利用したCu配線の形成工程においては、Cu層と層間絶縁膜(又は配線間絶縁膜)との間に、これらの密着性の向上を図るため、導電性のバリア膜(Ta/TaN膜)が形成される。 For example, in recent years, copper (Cu) wiring may be introduced to improve performance. In this case, the damascene method is used for forming the Cu wiring. In the Cu wiring forming process using the damascene method, a conductive barrier film (Ta / TaN) is used to improve the adhesion between the Cu layer and the interlayer insulating film (or inter-wiring insulating film). Film) is formed.
しかしながら、バリア膜の成膜はプラズマプロセスによって行われており、又バリア膜はゲート絶縁膜と電気的に接続されているため、バリア膜の形成時にはプラズマチャージングダメージが発生し易いと考えられる(例えば、非特許文献2を参照)。また、この場合、バリア膜の下層にあるゲート絶縁膜は簡単に破壊されてしまう。
However, since the barrier film is formed by a plasma process and the barrier film is electrically connected to the gate insulating film, it is considered that plasma charging damage is likely to occur when the barrier film is formed ( For example, refer
このような問題を解決するため、従来から、予め半導体基板上に保護ダイオードを設け、これによってプラズマチャージングダメージを抑制する配線形成方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。この方法によれば、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。 In order to solve such problems, conventionally, a wiring formation method has been proposed in which a protective diode is provided on a semiconductor substrate in advance, thereby suppressing plasma charging damage (see, for example, Patent Document 1). According to this method, since the charging current that causes plasma charging damage is released to the installation potential via the protective diode, the charging current is suppressed from being applied to the gate insulating film, and the gate insulating film is destroyed. Is avoided.
ここで、ダマシン法を利用した配線形成方法を例にとり、図12及び図13を用いて保護ダイオードによってプラズマチャージングを防止する配線形成方法について説明する。図12及び図13は、従来のダマシン構造の形成工程を示す断面図である。また、図12(a)〜図12(c)は一連の主な工程を示し、図13(d)〜図13(e)は、図12に示す工程から続く一連の主な工程を示している。図13(e)は、本発明の実施の形態1における半導体装置も示している。 Here, taking a wiring forming method using the damascene method as an example, a wiring forming method for preventing plasma charging by a protective diode will be described with reference to FIGS. 12 and 13. 12 and 13 are cross-sectional views showing a process for forming a conventional damascene structure. 12 (a) to 12 (c) show a series of main processes, and FIGS. 13 (d) to 13 (e) show a series of main processes following the process shown in FIG. Yes. FIG. 13 (e) also shows the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
先ず、図12(a)に示すように、nチャンネルMOSトランジスタと保護ダイオードとが形成されたp型シリコン基板101の上に、層間絶縁膜107(400nm)、シリコン窒化膜(40nm)109及び配線間絶縁膜(200nm)110を順に成膜した後、これらをエッチングして金属配線のためのトレンチ115を形成する。なお、トレンチ115の形状は直方体状である。シリコン窒化膜109は、トレンチ115をエッチングする際のストッパーとして機能している。
First, as shown in FIG. 12A, an interlayer insulating film 107 (400 nm), a silicon nitride film (40 nm) 109, and a wiring are formed on a p-
図12及び図13の例において、nチャンネルMOSトランジスタ及び保護ダイオードは、素子分離102によって分離されている。nチャンネルMOSトランジスタは、p型シリコン基板101の内部に形成されたpウェル103と、ゲート絶縁膜(NO/O2酸窒化膜:膜厚2.2nm)106と、ゲート電極108と、p型シリコン基板101の表層部分に設けられたソース(n+)領域104a及びドレイン(n+)領域104bと、シリコン酸化膜で形成されたサイドウォール112とによって構成されている。
In the example of FIGS. 12 and 13, the n-channel MOS transistor and the protection diode are separated by
また、保護ダイオードは、p型シリコン基板101の内部に形成されたpウェル103と、p型シリコン基板101の表層部分に設けられたn型拡散層105によって構成されている。また、図12及び図13において、111a及び111bはタングステン(W)のプラグ電極である。プラグ電極111aはゲート電極108に接続されており、プラグ電極111bはn型拡散層105に接続されている。
The protection diode is configured by a p-
次に、図12(b)及び(c)に示すように、プラズマプロセスによって、トレンチ115と配線間絶縁膜110とが被覆されるように、バリア膜(20nm)113を形成する。図12及び図13の例において、バリア膜113はTa/TaN膜であり、プラズマプロセス時の放電電力は1.5kW、放電時間は20秒に設定されている。
Next, as shown in FIGS. 12B and 12C, a barrier film (20 nm) 113 is formed by a plasma process so that the
また、このとき、図12(b)及び(c)から分かるように、トレンチ115によって配線間絶縁膜110に段差部分116が形成されており、段差部分116におけるバリア膜113のカバレッジの状態は悪いため、バリア膜113は、先ず、配線間絶縁膜110の上面とトレンチ115の底面とに形成される。
At this time, as can be seen from FIGS. 12B and 12C, the
このとき、保護ダイオードが形成されていなければ、ゲート電極108に電気的に接続されたバリア膜113(トレンチ115の底面のバリア膜)は他のバリア膜と電気的に分離されているため、チャージング電流は矢印で示すようにゲート電極108へと流れて、ゲート絶縁膜106を破壊するが、図12の例では、保護ダイオードが設けられているため、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。この結果、ゲート絶縁膜106の破壊が回避されることになる。
At this time, if the protective diode is not formed, the barrier film 113 (the barrier film on the bottom surface of the trench 115) electrically connected to the
しかしながら、図1に示すようにシリコン基板101に形成されたトランジスタがnチャンネルMOSトランジスタである場合は、それに接続される保護ダイオードを構成する拡散層105はn型となる。よって、保護ダイオードの整流方向がn+/pの方向であることから、図12(b)に示すようにゲート電極108に正の電荷が帯電すると、保護ダイオードは機能しなくなり、チャージング電流はゲート絶縁膜106へと流れてしまう(例えば、非特許文献3を参照)。
However, when the transistor formed on the
この場合、ゲート絶縁膜106が破壊された状態で、図13(d)に示すようにCu層(500nm)114が形成され、更に、図13(e)に示すようにCMPによるCu配線の形成が行われて、最終的に半導体装置が完成するが、半導体装置はゲート絶縁膜106の破壊により、不良品となっている。
このように、上記図12に示す従来のダマシン法を利用した配線形成方法においては、チャージング電流の方向と保護ダイオードの整流方向とが一致する場合にしかチャージングダメージの回避は図れず、ゲート絶縁膜が破壊される可能性が極めて高いと考えられる。 As described above, in the wiring forming method using the conventional damascene method shown in FIG. 12, the charging damage can be avoided only when the direction of the charging current coincides with the rectification direction of the protective diode. The possibility that the insulating film is destroyed is considered extremely high.
本発明の目的は、上記問題を解決し、プラズマプロセスにおける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。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of solving the above-described problems and suppressing plasma charging damage in a plasma process, and a manufacturing method thereof.
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)MOSトランジスタ及びダイオードが形成された半導体基板上に、これらを被覆する第1の絶縁膜、及び第2の絶縁膜を順に形成する工程と、(b)前記第2の絶縁膜にエッチングを行って、前記MOSトランジスタ及び前記ダイオードに電気的に接続される金属配線の形成用のトレンチを形成する工程と、(c)前記トレンチの側面及び底面に、タンタルを含むバリア膜をプラズマプロセスによって形成し、更に、前記バリア膜の上に金属膜を形成する工程と、(d)前記金属膜にCMPを行って金属配線を形成する工程とを少なくとも有する半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板上には、極性の異なる2種類のダイオードが形成されており、前記(b)の工程において、前記MOSトランジスタのゲート電極に電気的に接続される金属配線の形成用の第1のトレンチと、前記2種類のダイオードの活性領域に電気的に接続される金属配線の形成用の第2のトレンチと、前記第1のトレンチと第2のトレンチとを接続し、且つ、前記第1及び第2のトレンチよりも浅く形成された第3のトレンチとが形成され、前記(d)の工程において、前記CMPが、少なくとも前記第3のトレンチが消滅するまで行われることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes: (a) a first insulating film covering a semiconductor substrate on which a MOS transistor and a diode are formed; And (b) etching the second insulating film to form a trench for forming a metal wiring electrically connected to the MOS transistor and the diode. (C) forming a barrier film containing tantalum on the side and bottom surfaces of the trench by a plasma process, and further forming a metal film on the barrier film; and (d) performing CMP on the metal film. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein two types of diodes having different polarities are formed on the semiconductor substrate. In the step (b), the first trench for forming the metal wiring electrically connected to the gate electrode of the MOS transistor and the metal wiring electrically connected to the active regions of the two types of diodes A second trench for formation, and a third trench connecting the first trench and the second trench and formed shallower than the first and second trenches, and In the step (d), the CMP is performed until at least the third trench disappears.
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)MOSトランジスタ及びダイオードが形成された半導体基板上に、これらを被覆する第1の絶縁膜、及び第2の絶縁膜を順に形成する工程と、(b)前記第2の絶縁膜にエッチングを行って、前記MOSトランジスタ及び前記ダイオードに電気的に接続される金属配線の形成用のトレンチを形成する工程と、(c)前記トレンチの側面及び底面に、タンタルを含むバリア膜をプラズマプロセスによって形成し、更に、前記バリア膜の上に金属膜を形成する工程と、(d)前記金属膜にCMPを行って金属配線を形成する工程とを少なくとも有する半導体装置の製造方法であって、前記(c)の工程の実行前に、前記トレンチの側面を少なくとも覆う第3の絶縁膜を形成し、前記第3の絶縁膜をエッチングして、前記トレンチの側面に側壁保護膜を形成する工程を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a second semiconductor device according to the present invention includes: (a) a first insulating film covering a semiconductor substrate on which a MOS transistor and a diode are formed; And (b) etching the second insulating film to form a trench for forming a metal wiring electrically connected to the MOS transistor and the diode. (C) forming a barrier film containing tantalum on the side and bottom surfaces of the trench by a plasma process, and further forming a metal film on the barrier film; and (d) performing CMP on the metal film. And forming a metal wiring, wherein the third insulation covers at least the side surface of the trench before the step (c) is performed. It is formed and by etching the third insulating film, and having a step of forming a sidewall protection film on a side surface of the trench.
上記目的を達成するために本発明にかかる第3の半導体装置の製造方法は、(a)MOSトランジスタ及びダイオードが形成された半導体基板上に、これらを被覆する第1の絶縁膜、及び第2の絶縁膜を順に形成する工程と、(b)前記第2の絶縁膜にエッチングを行って、前記MOSトランジスタ及び前記ダイオードに電気的に接続される金属配線の形成用のトレンチを形成する工程と、(c)前記トレンチの側面及び底面に、タンタルを含むバリア膜をプラズマプロセスによって形成し、更に、前記バリア膜の上に金属膜を形成する工程と、(d)前記金属膜にCMPを行って金属配線を形成する工程とを少なくとも有する半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板上には、極性の異なる2種類のダイオードが形成されており、前記(d)の工程によって、前記MOSトランジスタのゲート電極に電気的に接続される第1の金属配線と、前記2種類のダイオードの活性領域に電気的に接続される第2の金属配線と、前記第1の金属配線と第2の金属配線とを電気的に接続し、且つ、前記第1及び第2の金属配線の下面よりも高い位置に下面が位置する第3の金属配線とが形成されるように、前記(b)の工程において前記トレンチが形成されており、前記(d)の工程において、前記CMPが、少なくとも前記第1の金属配線と第2の金属配線とが電気的に分離されるまで行われることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a third method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes: (a) a first insulating film covering a semiconductor substrate on which a MOS transistor and a diode are formed; And (b) etching the second insulating film to form a trench for forming a metal wiring electrically connected to the MOS transistor and the diode. (C) forming a barrier film containing tantalum on the side and bottom surfaces of the trench by a plasma process, and further forming a metal film on the barrier film; and (d) performing CMP on the metal film. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein two types of diodes having different polarities are formed on the semiconductor substrate. By the step (d), the first metal wiring electrically connected to the gate electrode of the MOS transistor, the second metal wiring electrically connected to the active region of the two types of diodes, A third metal wiring is formed that electrically connects the first metal wiring and the second metal wiring and has a lower surface positioned higher than the lower surfaces of the first and second metal wirings. As described above, the trench is formed in the step (b), and in the step (d), the CMP electrically separates at least the first metal wiring and the second metal wiring. It is performed until it is done.
上記目的を達成するために本発明にかかる第4の半導体装置の製造方法は、(a)MOSトランジスタ及びダイオードが形成された半導体基板上に、これらを被覆する第1の絶縁膜、及び第2の絶縁膜を順に形成する工程と、(b)前記第2の絶縁膜にエッチングを行って、前記MOSトランジスタ及び前記ダイオードに電気的に接続される金属配線の形成用のトレンチを形成する工程と、(c)前記トレンチの側面及び底面に、タンタルを含むバリア膜をプラズマプロセスによって形成し、更に、前記バリア膜の上に金属膜を形成する工程と、(d)前記金属膜にCMPを行って金属配線を形成する工程とを少なくとも有する半導体装置の製造方法であって、前記(b)の工程の実行前に、前記トレンチの側面が前記半導体基板の厚み方向を基準にして5度〜20度の範囲で傾斜するように、前記トレンチの形成のためのエッチングパターンを形成する工程を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a fourth method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes: (a) a first insulating film covering a semiconductor substrate on which a MOS transistor and a diode are formed; And (b) etching the second insulating film to form a trench for forming a metal wiring electrically connected to the MOS transistor and the diode. (C) forming a barrier film containing tantalum on the side and bottom surfaces of the trench by a plasma process, and further forming a metal film on the barrier film; and (d) performing CMP on the metal film. A method of manufacturing a semiconductor device including at least a step of forming a metal wiring, wherein a side surface of the trench is formed in a thickness direction of the semiconductor substrate before the step (b) is performed. So as to be inclined in a range of 5 degrees to 20 degrees with respect, and having a step of forming an etching pattern for forming the trench.
また、上記目的を達成するため本発明にかかる第1の半導体装置は、MOSトランジスタ及びダイオードが形成された半導体基板と、前記MOSトランジスタ及び前記ダイオードを被覆する第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜の上層に形成された第2の絶縁膜と、前記MOSトランジスタ及び前記ダイオードに電気的に接続される金属配線とを少なくとも有する半導体装置であって、前記金属配線は、前記第2の絶縁膜に形成されたトレンチに埋め込まれ、且つ、タンタルを含む層を少なくとも有する多層構造を備えており、前記トレンチの側面には、前記金属配線側の面が曲面で形成された側壁保護膜が設けられていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate on which a MOS transistor and a diode are formed, a first insulating film covering the MOS transistor and the diode, and the first semiconductor device. A semiconductor device having at least a second insulating film formed on an upper layer of the insulating film and a metal wiring electrically connected to the MOS transistor and the diode, wherein the metal wiring is A side wall protective film having a multilayer structure embedded in a trench formed in an insulating film and having at least a layer containing tantalum and having a curved surface on the metal wiring side is provided on a side surface of the trench. It is provided.
上記目的を達成するため本発明にかかる第2の半導体装置は、MOSトランジスタ及びダイオードが形成された半導体基板と、前記MOSトランジスタ及び前記ダイオードを被覆する第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜の上層に形成された第2の絶縁膜と、前記MOSトランジスタ及び前記ダイオードに電気的に接続される金属配線とを少なくとも有する半導体装置であって、前記金属配線は、前記第2の絶縁膜に形成されたトレンチに埋め込まれ、且つ、タンタルを含む層を少なくとも有する多層構造を備えており、前記トレンチの側面は、前記半導体基板の厚み方向を基準にして5度〜20度の範囲で傾斜していることを特徴とする。 To achieve the above object, a second semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate on which a MOS transistor and a diode are formed, a first insulating film covering the MOS transistor and the diode, and the first insulation. A semiconductor device having at least a second insulating film formed on an upper layer of the film and a metal wiring electrically connected to the MOS transistor and the diode, wherein the metal wiring is the second insulating film And having a multilayer structure having at least a layer containing tantalum, and the side surface of the trench is inclined in a range of 5 degrees to 20 degrees with respect to the thickness direction of the semiconductor substrate. It is characterized by that.
以上の特徴により、本発明における半導体装置の製造方法及び半導体装置によれば、配線形成工程においてプラズマによって生じたチャージング電流がゲート絶縁膜に印加されるのを抑制できるため、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る。このため、半導体装置における不良率の低減及び信頼性の向上を図ることができる。 With the above characteristics, according to the semiconductor device manufacturing method and the semiconductor device of the present invention, it is possible to suppress the charging current generated by the plasma in the wiring forming process from being applied to the gate insulating film. Suppression can be achieved. For this reason, it is possible to reduce the defect rate and improve the reliability of the semiconductor device.
上記本発明の第1の半導体装置の製造方法においては、前記第3のトレンチが、前記第3のトレンチが形成される領域でのエッチング速度を前記第1及び第2のトレンチが形成される領域でのエッチング速度よりも遅くすることによって、前記第1及び第2のトレンチよりも浅く形成されているのが好ましい。 In the first method for fabricating a semiconductor device of the present invention, the third trench has an etching rate in a region where the third trench is formed, and a region where the first and second trenches are formed. It is preferable that the first and second trenches be shallower than the first etching rate.
また、前記第3のトレンチの幅を前記第1及び第2のトレンチの幅よりも狭くすることによって生じるRIE−Lag現象によって、前記第3のトレンチが形成される領域でのエッチング速度が、前記第1及び第2のトレンチが形成される領域でのエッチング速度よりも遅くなっているのが好ましい。 The etching rate in the region where the third trench is formed by the RIE-Lag phenomenon generated by making the width of the third trench narrower than the width of the first and second trenches is as follows. The etching rate is preferably slower than the etching rate in the region where the first and second trenches are formed.
上記本発明の第2の半導体装置の製造方法及び第1の半導体装置においては、前記トレンチの形成が、前記第2の絶縁膜の厚みを前記トレンチの幅で除して得られる値が2よりも小さくなるように行われるのが好ましい。更に、前記第3の前記絶縁膜が、少なくとも酸素を含むシリコン絶縁膜又はシリコン窒化膜であるのが好ましい。 In the second method for manufacturing a semiconductor device and the first semiconductor device of the present invention, the formation of the trench has a value obtained by dividing the thickness of the second insulating film by the width of the trench from 2. It is preferable to be carried out so as to be small. Furthermore, it is preferable that the third insulating film is a silicon insulating film or a silicon nitride film containing at least oxygen.
更に、上記本発明の第3の半導体装置の製造方法及び第2の半導体装置の製造方法及び半導体装置においては、前記半導体基板上に、極性の異なる2種類のダイオードが形成されており、前記金属配線が前記2種類のダイオードの活性領域に電気的に接続されている態様とすることもできる。 Furthermore, in the third semiconductor device manufacturing method, the second semiconductor device manufacturing method, and the semiconductor device of the present invention, two types of diodes having different polarities are formed on the semiconductor substrate, and the metal It is also possible to adopt a mode in which the wiring is electrically connected to the active regions of the two types of diodes.
以下、本発明の半導体装置の製造方法及び半導体装置について図面を用いて説明する。なお、本発明の半導体装置の製造方法及び半導体装置は、以下の実施の形態に何等限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲においては種々の態様で実施し得る。 Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the semiconductor device manufacturing method and the semiconductor device of the present invention are not limited to the following embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.
(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の製造方法及び半導体装置について、図1〜図6を参照しながら説明する。図1及び図2は、本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法を示す部分断面図である。また、図1(a)〜図1(c)は一連の主な工程を示し、図2(d)〜図2(f)は、図1に示す工程から続く一連の主な工程を示している。なお、図2(f)は、本発明の実施の形態1における半導体装置も示している。図3は、図1(a)に示す工程で形成されたトレンチを示す斜視図である。
(Embodiment 1)
A semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2 are partial cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 1 (a) to 1 (c) show a series of main processes, and FIGS. 2 (d) to 2 (f) show a series of main processes following the process shown in FIG. Yes. FIG. 2 (f) also shows the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a perspective view showing a trench formed in the step shown in FIG.
先ず、図1(a)に示すように、nチャンネルMOSトランジスタと2つの保護ダイオードA及びBとが形成されたp型シリコン基板1の上に、これらを被覆する第1の絶縁膜7、ストッパー膜9、及び第2の絶縁膜10を順に成膜する。更に、第2の絶縁膜10をエッチングして金属配線の形成用のトレンチ15を形成する。また、図1(a)においては、トレンチ15の底面にはストッパー膜9が露出しているが、図1(b)に示す工程の前にストッパー膜9はエッチングによって除去される。
First, as shown in FIG. 1A, on a p-
図1及び図2において、nチャンネルMOSトランジスタ、保護ダイオードA及びBは、それぞれ素子分離2によって分離されている。nチャンネルMOSトランジスタは、p型シリコン基板1の内部に形成されたpウェル3と、ゲート絶縁膜(NO/O2酸窒化膜:膜厚2.2nm)6と、n+polySiで形成されたゲート電極8と、p型シリコン基板1の表層部分に設けられたソース(n+)領域4a及びドレイン(n+)領域4bと、シリコン酸化膜をエッチバックして形成されたサイドウォール(側壁保護膜)12とによって構成されている。
In FIG. 1 and FIG. 2, the n-channel MOS transistor and the protection diodes A and B are separated by
保護ダイオードAは、p型シリコン基板1の内部に形成されたpウェル3と、p型シリコン基板1の表層部分に設けられたn型拡散層5によって構成されている。一方、保護ダイオードBは、pウェル3と素子分離を隔てて形成されたnウェル21と、nウェル21が設けられた部分の表層近くに設けられたp+型拡散層22によって構成されており、保護ダイオードAとBとは極性(整流方向)が互いに異なっている。
The protection diode A is composed of a p-well 3 formed inside the p-
図1及び2において、11a〜11cはタングステン(W)のプラグ電極である。プラグ電極11aの一端はゲート電極8に接続され、他端は第1の絶縁膜7の上面に露出している。プラグ電極11bの一端は保護ダイオードAのn型拡散層5に接続され、他端は第1の絶縁膜7の上面に露出している。プラグ電極11cの一端は保護ダイオードBのp+型拡散層22に接続され、他端は第1の絶縁膜7の上面に露出している。
In FIGS. 1 and 2,
図1及び図2において、第1の絶縁膜7は厚みが400nmの層間絶縁膜であり、第2の絶縁膜10は厚みが200nmの配線間絶縁膜である。ストッパー膜9は、厚みが40nmのシリコン窒化膜であり、トレンチ15をエッチングする際のストッパーとして機能している。
1 and 2, the first insulating
また、図3に示すように、図1(a)において形成されたトレンチ15は、第1のトレンチ15aと、第2のトレンチ15bと、第3のトレンチ15cとを有している。第1のトレンチ15aはプラグ電極11aの直上に位置しており、第1のトレンチ15aによって形成される金属配線はnチャンネルMOSトランジスタのゲート電極に電気的に接続されることになる。
Further, as shown in FIG. 3, the
また、第2のトレンチ15bはプラグ電極11b及び11cの両方の直上に位置しており、第2のトレンチ15bによって形成される金属配線は、極性の異なる保護ダイオードA及びBの活性領域に電気的に接続される。
The
更に、第3のトレンチ15cは、第1のトレンチ15aと第2のトレンチ15bとを接続するように形成されおり、第3のトレンチ15cによって形成される金属配線は、第1のトレンチによって形成される金属配線と第2のトレンチによって形成される金属配線とを電気的に接続することになる。
Further, the
また、図3に示すように、第3のトレンチ15cの幅W3は、第1のトレンチ15aの幅W1及び第2のトレンチ15bの幅W2よりも狭くなっている。このため、エッチングによって生じるRIE−Lag現象によって、第3のトレンチ15cが形成される領域でのエッチング速度は、第1のトレンチ15a及び第2のトレンチ15bが形成される領域でのエッチング速度よりも遅くなる。
As shown in FIG. 3, the width W3 of the
ここで、RIE−lag現象について図4を用いて説明する。図4は、エッチング幅と配線形成用のトレンチの幅との関係を示す図である。図4に示すように、トレンチ幅が0.12μm以下になると急激にエッチング速度が低下する。また、トレンチ幅が0.10μmの場合においては、0.12μmの場合と比較して、エッチング速度は60%程度にまで低下する。この結果、図1(a)及び図3に示すように、第3のトレンチ15cの深さxは、第1のトレンチ15a及び第2のトレンチ15bの深さyよりも浅くなる。
Here, the RIE-lag phenomenon will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the etching width and the width of the trench for forming the wiring. As shown in FIG. 4, when the trench width becomes 0.12 μm or less, the etching rate rapidly decreases. Further, when the trench width is 0.10 μm, the etching rate is reduced to about 60% as compared with the case of 0.12 μm. As a result, as shown in FIGS. 1A and 3, the depth x of the
次いで、ストッパー膜9が除去されて、層間絶縁膜7及びプラグ電極11a〜11cの一端が露出すると、図1(b)及び(c)に示すように、導電性のバリア膜13が成膜される。バリア膜13は、この後に形成されるCu層14と層間絶縁膜7との密着性を向上させるために形成されており、Ta/TaN膜といったタンタル(Ta)を含む膜である。
Next, when the
また、バリア膜13は、従来技術において図12(b)及び(c)に示した工程と同様に、プラズマプロセスによって成膜されている。更に、図1(b)に示す例においても、段差部分16におけるバリア膜13のカバレッジの状態は悪いため、バリア膜13は、先ず、第2の絶縁膜10の上面とトレンチ15の底面(プラグ電極11a〜11cが露出している第1の絶縁膜の上面)とに形成される。
The
なお、第1のトレンチ15a及び第2のトレンチ15bと第3のトレンチ15cとの間の段差部分17は、段差部分16に比べて小さいため、段差部分17にはトレンチ15の底面と同様にバリア膜13が成膜される。この場合、保護ダイオードA及びBは、nチャンネルMOSトランジスタとは電気的に接続されている。
Since the
このため、本実施の形態1においても、従来技術において図12に示した例と同様に、プラズマによるチャージング電流は、トレンチ15の底面に成膜されたバリア膜13へと向かうことになる。但し、本実施の形態1においては、従来例と異なり、同一のトレンチの下には、極性の異なる保護ダイオードA及びBが設けられている。
For this reason, also in the first embodiment, the charging current due to plasma goes to the
従って、ゲート電極8に正の電荷が帯電した場合は、チャージング電流は保護ダイオードB(p+型拡散層22)へと流れ、ゲート電極8に負の電荷が帯電した場合は、チャージング電流は保護ダイオードA(n型拡散層5)へと流れる。つまり、本実施の形態1によれば、従来技術において図12に示した例と異なり、どちらの方向のチャージング電流であっても保護ダイオードへと流れ、ゲート絶縁膜6へとは流れないため、ゲート絶縁膜6の破壊による半導体装置の特性劣化を低減することができる。
Therefore, when the
その後、図1(d)に示すように、金属配線を形成するためのCu層14が電界メッキによって形成される。更に、図1(e)に示すように、CMPが実施される。また、CMPは、図1(f)に示すように、第3のトレンチ15cが消滅するまで行われる。
Thereafter, as shown in FIG. 1D, a
この結果、第1のトレンチ15aに金属配線18aが形成され、第2のトレンチ15bに金属配線18bが形成され、図1(f)に示す本実施の形態1における半導体装置が得られる。なお、本実施の形態1においては、金属配線18a及び18bの上層に、更に配線間絶縁膜や金属配線を設けて多層配線とすることもできる。
As a result, the
また、図1(f)から分るように、本実施の形態1における半導体装置においては、保護ダイオードA及びBに電気的に接続されている金属配線18aと、nチャンネルMOSトランジスタに接続されている金属配線18bとは、第3のトレンチ15cの消滅によって、その底面に形成されたバリア膜13が除去されるため、電気的に分離される。
Further, as can be seen from FIG. 1 (f), in the semiconductor device according to the first embodiment, the
つまり、本実施の形態1によれば、従来技術において図13(e)に示した例と異なり、完成後の半導体装置において、保護ダイオードとトランジスタとを電気的に分離できる。このため、半導体装置の動作に保護ダイオードが影響を与えるのを阻止することができる。 That is, according to the first embodiment, unlike the example shown in FIG. 13E in the prior art, the protection diode and the transistor can be electrically separated in the completed semiconductor device. For this reason, it is possible to prevent the protection diode from affecting the operation of the semiconductor device.
ここで、図5を用いて、本実施の形態1における半導体装置と図13(e)に示した従来例の半導体装置とを比較する。図5は、実施の形態1における半導体装置と従来の半導体装置との電気特性評価を示すグラフである。具体的には、図5は、nチャンネルMOSトランジスタアレー(チャンネル幅W/チャンネル長L=1/0.1×0.01K)におけるゲートリーク電流値の測定結果を示している。また、図5に示す結果は、面内78チップのウエハから得られている。 Here, with reference to FIG. 5, the semiconductor device according to the first embodiment is compared with the conventional semiconductor device shown in FIG. FIG. 5 is a graph showing an electrical characteristic evaluation between the semiconductor device in the first embodiment and the conventional semiconductor device. Specifically, FIG. 5 shows the measurement result of the gate leakage current value in an n-channel MOS transistor array (channel width W / channel length L = 1 / 0.1 × 0.01 K). The results shown in FIG. 5 are obtained from an in-plane 78-chip wafer.
図5において横軸は、1.2Vのゲート電圧を印加した時のゲート電流密度[A/cm2]を示している。縦軸は、ガウス分布を仮定した場合の累積不良確率を示している。 In FIG. 5, the horizontal axis indicates the gate current density [A / cm 2 ] when a gate voltage of 1.2 V is applied. The vertical axis represents the cumulative failure probability when a Gaussian distribution is assumed.
図5から分かるように、実施の形態1における半導体装置に比べて、従来の半導体装置においては、ゲートリーク電流値が増加している。このことは、従来の半導体装置では、実施の形態1における半導体装置よりも、プラズマチャージングダメージによってデバイス特性が劣化していることを示している。つまり、図5は、本実施の形態1によれば、従来に比べてプラズマチャージングダメージが低減できることを示唆している。 As can be seen from FIG. 5, the gate leakage current value is increased in the conventional semiconductor device as compared with the semiconductor device in the first embodiment. This indicates that the device characteristics of the conventional semiconductor device are deteriorated due to plasma charging damage as compared with the semiconductor device of the first embodiment. That is, FIG. 5 suggests that the plasma charging damage can be reduced according to the first embodiment as compared with the conventional case.
なお、図1及び図2に示した例においては、Cu層14と層間絶縁膜7との間にバリア膜13が形成されているが、バリア膜13が形成されない場合もある。バリア膜13が形成されない例について図6を用いて説明する。図6は、本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の他の例を示す部分断面図であり、図6(a)〜図6(c)は一連の主な工程を示している。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the
図6(a)に示す工程は、図1(a)に示す工程と同様の工程である。図6(a)の例においても、第2の絶縁膜10にトレンチ15が形成される(図3参照)。図6(a)に示す工程の後、図6(b)に示すように、電界メッキによってCu層14が形成される。
The process shown in FIG. 6A is the same as the process shown in FIG. Also in the example of FIG. 6A, the
その後、図6(c)に示すように、図1(d)及び(f)に示した工程と同様に、第3のトレンチ15cが消滅するまでCMPが行われ、金属配線18a及び18bが形成される。このように、図6の例では、図1に示した例のように、プラズマプロセスは実施されないため、プラズマチャージングダメージによってゲート絶縁膜6が破壊されることはない。
Thereafter, as shown in FIG. 6C, as in the steps shown in FIGS. 1D and 1F, CMP is performed until the
ところが、CMP工程においては、CMP研磨パッドを高速で回転させるため、CMP研磨パッドとCu層14との間に電荷が帯電する。また、帯電した電荷が大きくなると、この場合も、プラズマプロセスの場合と同様に、チャージング電流が流れてしまい、ゲート絶縁膜6が破壊されてしまう可能性がある。つまり、図6の例では、プラズマによるチャージング電流の発生はないが、帯電によってチャージング電流が発生する可能性がある。
However, in the CMP process, charges are charged between the CMP polishing pad and the
しかしながら、図6の例においても、極性の異なる保護ダイオードA及びBが設けられており、又nチャンネルMOSトランジスタはCu層14によって保護ダイオードA及びBに接続されている。
However, also in the example of FIG. 6, protection diodes A and B having different polarities are provided, and the n-channel MOS transistor is connected to the protection diodes A and B by the
このため、帯電によるチャージング電流も、図1に示したプラズマプロセスによるチャージング電流と同様に、保護ダイオードA又はBのいずれかの拡散層へと流れることになる。よって、図6の例においては、帯電によるチャージング電流によってゲート絶縁膜6が破壊されるのが抑制される。なお、このことは、図1及び図2に示す例においても同様である。
For this reason, the charging current due to charging also flows to the diffusion layer of either the protective diode A or B, similarly to the charging current due to the plasma process shown in FIG. Therefore, in the example of FIG. 6, the
なお、本実施の形態1においては、保護ダイオード及びトランジスタと金属配線との接続は、タングステンで形成されたプラグ電極11a〜11cを用いているが、本発明はこの態様に限定されるものではない。本発明においては、プラグ電極11a〜11cを設ける代わりに、デュアルダマシン構造を採用することができ、この場合も同様の効果を得ることができる。
In the first embodiment, the connection between the protective diode and the transistor and the metal wiring uses the
(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の製造方法及び半導体装置について、図7及び図8を参照しながら説明する。図7は、本発明の実施の形態2における半導体装置の製造方法を示す部分断面図であり、図7(a)〜図7(d)は一連の主な工程を示している。なお、図7(d)は、本発明の実施の形態2における半導体装置も示している。また、図7において、図1及び図2においても示したものと同じものには、同一の符号を付している。
(Embodiment 2)
Next, a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, and FIGS. 7A to 7D show a series of main steps. FIG. 7D also shows the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, the same components as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
先ず、図7(a)に示すように、nチャンネルMOSトランジスタと保護ダイオードAとが形成されたp型シリコン基板1の上に、これらを被覆する第1の絶縁膜7、ストッパー膜9、及び第2の絶縁膜10を順に成膜する。更に、第2の絶縁膜10をエッチングして金属配線の形成用のトレンチ32を形成する。
First, as shown in FIG. 7A, on a p-
図7(a)に示す工程は、トレンチ32の底面におけるストッパー膜9が、この工程においてエッチングによって除去されない以外は、従来技術において図12(a)に示した工程と同様に行われている。図7(a)において、トレンチ32の形状は直方体状である。
The process shown in FIG. 7A is performed in the same manner as the process shown in FIG. 12A in the prior art, except that the
また、本実施の形態2において、トレンチ32の幅は、これによって第2の絶縁膜10の膜厚を除して得られる値(第2の絶縁膜10の膜厚/トレンチ32の幅)が2よりも小さくなるように設定されている。これは上記の得られる値が2以上となると、後述するCu層14の埋め込みが困難になるからである。
In the second embodiment, the width of the
次に、従来例と異なり、本実施の形態2においては、図7(b)に示すように、トレンチ32の側面にも、ゲート電極8の側面に設けられたサイドウォール12と同様のサイドウォール(側壁保護膜)31を形成する。具体的には、先ず、トレンチ32の内部に、第3の絶縁膜(図示せず)を成膜する。次いで、これをエッチングバックしてサイドウォール31を形成する。
Next, unlike the conventional example, in the second embodiment, as shown in FIG. 7B, the side wall similar to the
なお、第3の絶縁膜のエッチングは、ストッパー膜9が露出するまで行われている。また、図7の例において、サイドウォールを形成する第3の絶縁膜としては、シリコン酸化膜に代表される少なくとも酸素を含むシリコン絶縁膜が用いられているが、本実施の形態3においてはこれに限定されず、その他シリコン窒化膜等も挙げられる。
The third insulating film is etched until the
次いで、図7(c)に示すように、トレンチ32の底面部分にあるストッパー膜9をエッチングによって除去してプラグ電極11a及び11bの端部を露出させた後、バリア膜13を成膜する。また、図7(c)に示す工程においても、バリア膜13の成膜は、図1(b)及び(c)に示した工程と同様に、プラズマプロセスによって行われている。
Next, as shown in FIG. 7C, after the
このため、本実施の形態2においても、従来技術において図12に示した例と同様に、バリア膜13の成膜時のプラズマによるチャージング電流は、バリア膜13へと向かうことになる。
For this reason, also in the second embodiment, the charging current due to the plasma when forming the
但し、本実施の形態2においては、上述のようにトレンチ32の側面にサイドウォール31が形成されており、サイドウォール31の外面(バリア膜13が形成される面)は曲面となっている。また、この面は、従来技術において図12に示した段差部分116に比べてなだらかであり、バリア膜13が成膜されやすい形状となっている。
However, in the second embodiment, the
このため、バリア膜13の成膜は、第2の絶縁膜10の上面、トレンチ32の底面、及びサイドウォールの外面において略同時に進行することになる。このため、従来技術において図12(b)に示した例と異なり、ゲート電極8に電気的に接続されたバリア膜13(トレンチ32の底面に成膜されたバリア膜)が他のバリア膜に対して電気的に分離された状態が回避される。
Therefore, the formation of the
この結果、チャージング電流の方向が保護ダイオードAの整流方向と一致する場合は、チャージング電流は保護ダイオードAによって接地電位へと逃がされる。一方、チャージング電流の方向が保護ダイオードAの整流方向と一致しない場合は、チャージング電流は、矢印で示すように第2の絶縁膜10上のバリア膜を通って、整流方向が一致する別の保護ダイオード(図示せず)へと流れ、これによって接地電位へと逃がされる。
As a result, when the direction of the charging current coincides with the rectification direction of the protection diode A, the charging current is released to the ground potential by the protection diode A. On the other hand, when the direction of the charging current does not coincide with the rectification direction of the protection diode A, the charging current passes through the barrier film on the second insulating
なお、この別の保護ダイオードは、トレンチ32に形成される金属配線によって保護ダイオードAに電気的に接続されていないダイオードであって、例えば、シリコン基板1上の別の領域に設けられたpチャンネルMOSトランジスタに接続された保護ダイオードである。
The other protection diode is a diode that is not electrically connected to the protection diode A by a metal wiring formed in the
このように、本実施の形態2においても、実施の形態1と同様に、従来技術において図12に示した例と異なり、どちらの方向のチャージング電流であっても保護ダイオードへと流れ、ゲート絶縁膜6へとは流れないため、ゲート絶縁膜6の破壊による半導体装置の特性劣化を低減することができる。
As described above, in the second embodiment, as in the first embodiment, unlike the example shown in FIG. 12 in the prior art, the charging current in either direction flows to the protection diode, and the gate Since it does not flow to the insulating
その後、図7(d)に示すように、金属配線を形成するためのCu層14が電界メッキによって形成され、更にCMPが実施されて、実施の形態2における半導体装置が完成する。なお、本実施の形態2においても、更に配線間絶縁膜や金属配線を設けて多層配線とすることもできる。また、本実施の形態2においても、実施の形態1と同様に、保護ダイオードAと極性が異なり、また保護ダイオードAと金属配線によって電気的に接続される保護ダイオードBを設けることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 7D, a
ここで、図8を用いて、本実施の形態2における半導体装置と図13(e)に示した従来例の半導体装置とを比較する。図8は、実施の形態2における半導体装置と従来の半導体装置との信頼性評価を示すグラフである。 Here, with reference to FIG. 8, the semiconductor device according to the second embodiment is compared with the conventional semiconductor device shown in FIG. FIG. 8 is a graph showing reliability evaluation between the semiconductor device in the second embodiment and a conventional semiconductor device.
図8において、横軸は、信頼性寿命の指標となる定電圧TDDB試験時の寿命[s]を示している。縦軸は、ワイブル分布を仮定した場合の累積不良率を示している。なお、図8において、デバイス構造は図5の例と同じである。また、ストレス電流値は、3.0Vに設定している。 In FIG. 8, the horizontal axis indicates the lifetime [s] during the constant voltage TDDB test, which is an index of the reliability lifetime. The vertical axis represents the cumulative failure rate when the Weibull distribution is assumed. In FIG. 8, the device structure is the same as the example of FIG. The stress current value is set to 3.0V.
図8から分かるように、累積不良率が同じである場合、従来の半導体装置(図8中の「□」)に比べ、本実施の形態2における半導体装置(図8中の「●」)は寿命が長くなっている。このことから、本実施の形態2によれば、従来例に比べてプラズマチャージングダメージを低減できる。 As can be seen from FIG. 8, when the cumulative defect rate is the same, the semiconductor device in the present embodiment 2 (“●” in FIG. 8) is different from the conventional semiconductor device (“□” in FIG. 8). Life is getting longer. Thus, according to the second embodiment, plasma charging damage can be reduced as compared with the conventional example.
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法及び半導体装置について、図9〜図11を参照しながら説明する。図9は、本発明の実施の形態3における半導体装置の製造方法を示す部分断面図であり、図9(a)〜図9(c)は一連の主な工程を示している。図10は、図9(a)に示す工程で形成されたトレンチを示す斜視図である。なお、図9(c)は、本発明の実施の形態2における半導体装置も示している。また、図9及び図10において、図1及び図2においても示したものと同じものには、同一の符号を付している。
(Embodiment 3)
Next, a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, and FIGS. 9A to 9C show a series of main steps. FIG. 10 is a perspective view showing a trench formed in the step shown in FIG. FIG. 9C also shows the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIGS. 9 and 10, the same components as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
先ず、図9(a)に示すように、nチャンネルMOSトランジスタと保護ダイオードAが形成されたp型シリコン基板1の上に、これらを被覆する第1の絶縁膜7、ストッパー膜9、及び第2の絶縁膜10を順に成膜する。更に、第2の絶縁膜10をエッチングして金属配線の形成用のトレンチ41を形成する。
First, as shown in FIG. 9A, on a p-
図8(a)に示す工程は、従来技術において図12(a)に示した工程と同様に行われるが、本実施の形態3においては、図10から分かるように、トレンチ41は、その側面が傾斜するように形成されている。 The process shown in FIG. 8A is performed in the same manner as the process shown in FIG. 12A in the prior art, but in the third embodiment, as can be seen from FIG. Is formed to be inclined.
また、一般にドライエッチングにおいては、トレンチの長手方向側の側面は、エッチング副生成物の影響により、図9及び図10に示すように傾斜するが、傾斜角度(シリコン基板1の厚み方向を基準とした角度)θは、通常、約0度〜4度である。更に、この程度の傾斜であれば、従来技術において図12(b)に示したように、バリア膜13は、先ず、配線間絶縁膜10の上面とトレンチ41の底面とに形成され、トレンチ41の側面には傾斜され難い。
Further, in general, in dry etching, the side surface of the trench in the longitudinal direction is inclined as shown in FIGS. 9 and 10 due to the influence of etching by-products, but the inclination angle (based on the thickness direction of the silicon substrate 1) The angle θ is usually about 0 to 4 degrees. Furthermore, with this degree of inclination, the
それに対して、本実施の形態3においては、トレンチ41の側面の傾斜角度は、バリア膜13のカバレッジ特性と金属配線形成時に効率的に電流をトレンチ外部へと排出するために、5度〜20度に設定されている。
On the other hand, in the present third embodiment, the inclination angle of the side surface of the
このため、本実施の形態3においても、実施の形態2と同様に、トレンチ41の側面は、従来技術において図12に示した段差部分116に比べてなだらかであり、バリア膜13が成膜されやすい形状となっている。よって、図9(b)に示すように、プラズマプロセスによってバリア膜13を成膜すると、バリア膜13の成膜は、第2の絶縁膜10の上面、トレンチ41の底面、及び側面において略同時に進行することになる。
Therefore, also in the third embodiment, as in the second embodiment, the side surface of the
従って、本実施の形態3においても、従来技術において図12(b)に示したようにゲート電極8に電気的に接続されたバリア膜13が他のバリア膜に対して電気的に分離された状態が回避されるので、実施の形態2と同様に、チャージング電流は方向がどちらであっても保護ダイオードへと流れる。よって、ゲート絶縁膜6の破壊による半導体装置の特性劣化を低減することができる。
Therefore, also in the third embodiment, the
なお、本実施の形態3において、トレンチ41の側面における傾斜角度θの調整は、トレンチ41を形成するためのパターン形状の設定によって行われている。具体的には、図10に示すように、トレンチ幅WTに対してトレンチ長さWLが十分長くなるように、例えば、WL/WTの値が50〜100の範囲となるようにパター形状を設定することによって行われている。図10の例では、トレンチ長さWLは10μm、トレンチ幅WTは0.2μm、WL/WTは50に設定されている。
In the third embodiment, the inclination angle θ on the side surface of the
また、トレンチ41の側面の傾斜角度θを上記範囲とするため、トレンチ41の形成のためのエッチングは、CF4ガスの流量を3.5×10-3[l/min](35sccm)、CHF3ガスの流量を9.0×10-3[l/min](90sccm)、圧力を1.33[Pa](10mTorr)、放電電力を1kWに設定し、誘導結合型プラズマ装置を用いて行われている。
Further, in order to set the inclination angle θ of the side surface of the
図9(b)に示す工程が終了すると、図9(c)に示すように、金属配線を形成するためのCu層14が電界メッキによって形成され、更にCMPが実施されて、実施の形態3における半導体装置が完成する。なお、本実施の形態3においても、更に配線間絶縁膜や金属配線を設けて多層配線とすることもできる。また、本実施の形態3においても、実施の形態1と同様に、保護ダイオードAと極性が異なり、また保護ダイオードAと金属配線によって電気的に接続される保護ダイオードBを設けることができる。
When the step shown in FIG. 9B is completed, as shown in FIG. 9C, a
ここで、図11を用いて、本実施の形態3における半導体装置と図13(e)に示した従来例の半導体装置とを比較する。図11は、実施の形態3における半導体装置と従来の半導体装置との電気特性評価を示すグラフである。なお、図11に示すグラフは、図5の場合と同様の条件下で得られている。 Here, with reference to FIG. 11, the semiconductor device according to the third embodiment is compared with the conventional semiconductor device shown in FIG. FIG. 11 is a graph showing evaluation of electrical characteristics of the semiconductor device according to the third embodiment and a conventional semiconductor device. The graph shown in FIG. 11 is obtained under the same conditions as in FIG.
また、図11においても、横軸は、1.2Vのゲート電圧を印加した時のゲート電流密度[A/cm2]を示している。縦軸は、ガウス分布を仮定した場合の累積不良確率を示している。 Also in FIG. 11, the horizontal axis represents the gate current density [A / cm 2 ] when a gate voltage of 1.2 V is applied. The vertical axis represents the cumulative failure probability when a Gaussian distribution is assumed.
図11から分かるように、実施の形態3における半導体装置に比べて、従来の半導体装置においては、ゲートリーク電流値が増加している。このことは、従来の半導体装置では、実施の形態3における半導体装置よりも、プラズマチャージングダメージによってデバイス特性が劣化していることを示している。つまり、図11は、本実施の形態1によれば、従来に比べてプラズマチャージングダメージが低減できることを示唆している。 As can be seen from FIG. 11, the gate leakage current value is increased in the conventional semiconductor device as compared with the semiconductor device in the third embodiment. This indicates that the device characteristics of the conventional semiconductor device are degraded due to plasma charging damage as compared with the semiconductor device of the third embodiment. That is, FIG. 11 suggests that the plasma charging damage can be reduced according to the first embodiment as compared with the conventional case.
本発明における半導体装置の製造方法及び半導体装置は、プラズマプロセスによる半導体装置のチャージングダメージを抑制するものであり、半導体装置の信頼性の向上に有用である。 The method for manufacturing a semiconductor device and the semiconductor device according to the present invention suppress charging damage of the semiconductor device due to the plasma process, and are useful for improving the reliability of the semiconductor device.
1 p型シリコン基板
2 素子分離
3 pウェル(トランジスタが形成されている活性領域)
4a ソース(n+)領域
4b ドレイン(n+)領域
5 n型拡散層
6 ゲート酸化膜(2.2nm)
7 第1の絶縁膜(層間絶縁膜(400nm))
8 ゲート電極、
9 ストッパー膜(シリコン窒化膜)
10 第2の絶縁膜(配線間絶縁膜)
11a、11b、11c プラグ電極
12 サイドウォール
13 バリア膜(Ta/TaN膜(20nm))
14 Cu層(500nm)
15、32、41 トレンチ
15a 第1のトレンチ
15b 第2のトレンチ
15c 第3のトレンチ
16 トレンチ側面における段差部分
17 第1のトレンチ及び第2のトレンチと第3のトレンチとの間の段差部分
18a、18b 金属配線
21 nウェル
22 p+型拡散層
31 トレンチに形成されたサイドウォール
A、B 保護ダイオード
1 p-
4a source (n +)
7 First insulating film (interlayer insulating film (400 nm))
8 Gate electrode,
9 Stopper film (silicon nitride film)
10 Second insulating film (inter-wiring insulating film)
11a, 11b,
14 Cu layer (500 nm)
15, 32, 41
Claims (15)
前記半導体基板上には、極性の異なる2種類のダイオードが形成されており、
前記(b)の工程において、前記MOSトランジスタのゲート電極に電気的に接続される金属配線の形成用の第1のトレンチと、前記2種類のダイオードの活性領域に電気的に接続される金属配線の形成用の第2のトレンチと、前記第1のトレンチと第2のトレンチとを接続し、且つ、前記第1及び第2のトレンチよりも浅く形成された第3のトレンチとが形成され、
前記(d)の工程において、前記CMPが、少なくとも前記第3のトレンチが消滅するまで行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。 (A) a step of sequentially forming a first insulating film and a second insulating film covering the semiconductor substrate on which the MOS transistor and the diode are formed; and (b) etching into the second insulating film. (C) forming a trench for forming a metal wiring electrically connected to the MOS transistor and the diode, and (c) forming a barrier film containing tantalum on a side surface and a bottom surface of the trench by a plasma process. Forming a metal film on the barrier film; and (d) a method of manufacturing a semiconductor device including at least a step of forming a metal wiring by performing CMP on the metal film,
Two types of diodes having different polarities are formed on the semiconductor substrate,
In the step (b), a first trench for forming a metal wiring electrically connected to the gate electrode of the MOS transistor, and a metal wiring electrically connected to the active regions of the two types of diodes A second trench for forming the first trench and a third trench connected to the first trench and the second trench and formed shallower than the first and second trenches,
In the step (d), the CMP is performed until at least the third trench disappears.
前記(c)の工程の実行前に、前記トレンチの側面を少なくとも覆う第3の絶縁膜を形成し、前記第3の絶縁膜をエッチバックして、前記トレンチの側面に側壁保護膜を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 (A) a step of sequentially forming a first insulating film and a second insulating film covering the semiconductor substrate on which the MOS transistor and the diode are formed; and (b) etching into the second insulating film. And forming a trench for forming a metal wiring electrically connected to the MOS transistor and the diode, and (c) forming a barrier film containing tantalum on a side surface and a bottom surface of the trench by a plasma process. Forming a metal film on the barrier film; and (d) a method of manufacturing a semiconductor device including at least a step of forming a metal wiring by performing CMP on the metal film,
Before the step (c) is performed, a third insulating film that covers at least the side surface of the trench is formed, and the third insulating film is etched back to form a sidewall protective film on the side surface of the trench. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step.
前記トレンチが、それによって形成される金属配線が前記2種類のダイオードの活性領域に電気的に接続されるように形成される請求項4記載の半導体装置の製造方法。 Two types of diodes having different polarities are formed on the semiconductor substrate,
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the trench is formed so that a metal wiring formed thereby is electrically connected to an active region of the two types of diodes.
前記半導体基板上には、極性の異なる2種類のダイオードが形成されており、
前記(d)の工程によって、前記MOSトランジスタのゲート電極に電気的に接続される第1の金属配線と、前記2種類のダイオードの活性領域に電気的に接続される第2の金属配線と、前記第1の金属配線と第2の金属配線とを電気的に接続し、且つ、前記第1及び第2の金属配線の下面よりも高い位置に下面が位置する第3の金属配線とが形成されるように、前記(b)の工程において前記トレンチが形成されており、
前記(d)の工程において、前記CMPが、少なくとも前記第1の金属配線と第2の金属配線とが電気的に分離されるまで行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。 (A) a step of sequentially forming a first insulating film and a second insulating film covering the semiconductor substrate on which the MOS transistor and the diode are formed; and (b) etching into the second insulating film. (C) forming a trench for forming a metal wiring electrically connected to the MOS transistor and the diode, and (c) forming a barrier film containing tantalum on a side surface and a bottom surface of the trench by a plasma process. Forming a metal film on the barrier film; and (d) a method of manufacturing a semiconductor device including at least a step of forming a metal wiring by performing CMP on the metal film,
Two types of diodes having different polarities are formed on the semiconductor substrate,
A first metal wiring electrically connected to the gate electrode of the MOS transistor and a second metal wiring electrically connected to an active region of the two types of diodes by the step (d); A third metal wiring that electrically connects the first metal wiring and the second metal wiring and has a lower surface positioned higher than the lower surfaces of the first and second metal wirings is formed. As described above, the trench is formed in the step (b),
In the step (d), the CMP is performed until at least the first metal wiring and the second metal wiring are electrically separated from each other.
前記(b)の工程の実行前に、前記トレンチの側面が前記半導体基板の厚み方向を基準にして5度〜20度の範囲で傾斜するように、前記トレンチの形成のためのエッチングパターンを形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 (A) a step of sequentially forming a first insulating film and a second insulating film covering the semiconductor substrate on which the MOS transistor and the diode are formed; and (b) etching into the second insulating film. And forming a trench for forming a metal wiring electrically connected to the MOS transistor and the diode, and (c) forming a barrier film containing tantalum on a side surface and a bottom surface of the trench by a plasma process. Forming a metal film on the barrier film; and (d) a method of manufacturing a semiconductor device including at least a step of forming a metal wiring by performing CMP on the metal film,
Before the step (b) is performed, an etching pattern for forming the trench is formed so that the side surface of the trench is inclined within a range of 5 degrees to 20 degrees with respect to the thickness direction of the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the step of:
前記トレンチが、それによって形成される金属配線が前記2種類のダイオードの活性領域に電気的に接続されるように形成される請求項9記載の半導体装置の製造方法。 Two types of diodes having different polarities are formed on the semiconductor substrate,
10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the trench is formed so that a metal wiring formed thereby is electrically connected to an active region of the two types of diodes.
前記金属配線は、前記第2の絶縁膜に形成されたトレンチに埋め込まれ、且つ、タンタルを含む層を少なくとも有する多層構造を備えており、
前記トレンチの側面には、前記金属配線側の面が曲面で形成された側壁保護膜が設けられていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate on which a MOS transistor and a diode are formed; a first insulating film covering the MOS transistor and the diode; a second insulating film formed on an upper layer of the first insulating film; and the MOS transistor And a semiconductor device having at least a metal wiring electrically connected to the diode,
The metal wiring has a multilayer structure embedded in a trench formed in the second insulating film and having at least a layer containing tantalum,
A side wall of the trench is provided with a side wall protective film having a curved surface on the metal wiring side.
前記金属配線が、前記2種類のダイオードの活性領域に電気的に接続されている請求項11記載の半導体装置。 Two types of diodes having different polarities are formed on the semiconductor substrate,
The semiconductor device according to claim 11, wherein the metal wiring is electrically connected to active regions of the two types of diodes.
前記金属配線は、前記第2の絶縁膜に形成されたトレンチに埋め込まれ、且つ、タンタルを含む層を少なくとも有する多層構造を備えており、
前記トレンチの側面は、前記半導体基板の厚み方向を基準にして5度〜20度の範囲で傾斜していることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate on which a MOS transistor and a diode are formed; a first insulating film covering the MOS transistor and the diode; a second insulating film formed on an upper layer of the first insulating film; and the MOS transistor And a semiconductor device having at least a metal wiring electrically connected to the diode,
The metal wiring has a multilayer structure embedded in a trench formed in the second insulating film and having at least a layer containing tantalum,
A side surface of the trench is inclined in a range of 5 degrees to 20 degrees with respect to a thickness direction of the semiconductor substrate.
前記金属配線が、前記2種類のダイオードの活性領域に電気的に接続されている請求項14記載の半導体装置。 Two types of diodes having different polarities are formed on the semiconductor substrate,
The semiconductor device according to claim 14, wherein the metal wiring is electrically connected to active regions of the two types of diodes.
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JP2003385830A JP2005150396A (en) | 2003-11-14 | 2003-11-14 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2016500481A (en) * | 2012-12-14 | 2016-01-12 | スパンション エルエルシー | Process charge protection for split gate charge trap flash |
-
2003
- 2003-11-14 JP JP2003385830A patent/JP2005150396A/en not_active Withdrawn
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