JP2007088018A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、デトラップ・リテンション特性を改善する必要のある不揮発性メモリおよびその製造に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing technique thereof, and more particularly to a nonvolatile memory that needs to improve detrap retention characteristics and a technique effective when applied to the manufacturing thereof.
特開2005−26659号公報(特許文献1)には、以下に示す技術が記載されている。すなわち、ビットラインコンタクトプラグが設けられた半導体基板上にバリア膜、層間絶縁膜および金属ハードマスク膜を順次形成する。そして、金属ハードマスク膜をパターニングし、ビットラインコンタクトプラグと対応するビットライン領域を開放する金属ハードマスク膜パターンを形成する。その後、金属ハードマスク膜パターンをエッチングマスクとするエッチング工程によって層間絶縁膜およびバリア膜をエッチングしてビットライン用トレンチを形成する。続いて、ビットライン用トレンチが埋め込まれるようにビットライン用金属膜を形成した後、平坦化工程を行い、層間絶縁膜上のビットライン用金属膜および金属ハードマスク膜パターンを除去する。このようにして、ビットライン用金属膜よりなるビットラインとこのビットラインを埋め込むバリア膜および層間絶縁膜を形成することができる。ここで、バリア膜は、層間絶縁膜にビットライン用トレンチを形成する際のエッチングストッパとしての役割を有するとしている。
半導体記憶装置として、電源を切っても記憶内容を保持し続ける不揮発性メモリがある。この不揮発性メモリには、例えばEPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)やフラッシュメモリなどの種類がある。不揮発性メモリは、例えば、半導体基板上に不揮発性メモリ素子が形成され、この不揮発性メモリ素子上に多層にわたる配線が形成されている。多層にわたる配線の一例として、第1配線層がタングステン膜から形成され、第2配線層および第3配線層がアルミニウム膜から形成されているものがある。 As a semiconductor memory device, there is a nonvolatile memory that keeps stored contents even when the power is turned off. Examples of the nonvolatile memory include EP (Erasable Programmable Read Only Memory), EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), and flash memory. In the nonvolatile memory, for example, a nonvolatile memory element is formed on a semiconductor substrate, and multilayer wiring is formed on the nonvolatile memory element. As an example of the wiring over multiple layers, there is one in which the first wiring layer is formed of a tungsten film, and the second wiring layer and the third wiring layer are formed of an aluminum film.
多層配線構造では、配線層間に層間絶縁膜を形成するが、例えば層間絶縁膜上に配線層を形成すると、配線層の厚さの分だけ段差が生じることになる。したがって、例えば第1配線層上には、第1配線層の厚さで生じた段差を埋め込んでなくすため、まず、埋め込み特性に優れた高密度プラズマCVD法で形成した酸化シリコン膜(HDP−CVD膜という)を形成する。そして、HDP−CVD膜上に平坦性の良好なTEOSを原料とした酸化シリコン膜(TEOS膜という)を形成している。つまり、配線層間に形成される層間絶縁膜は、HDP−CVD膜とTEOS膜の2層構造となっている。この2層構造は、第1配線層と第2配線層との間の層間絶縁膜だけでなく、第2配線層と第3配線層との間の層間絶縁膜や第3配線層上の層間絶縁膜にも使用される。 In the multilayer wiring structure, an interlayer insulating film is formed between wiring layers. However, when a wiring layer is formed on the interlayer insulating film, for example, a step is generated by the thickness of the wiring layer. Therefore, for example, a silicon oxide film (HDP-CVD) formed by a high-density plasma CVD method having excellent embedding characteristics is first used so as not to bury a step formed by the thickness of the first wiring layer on the first wiring layer. A film). Then, a silicon oxide film (referred to as TEOS film) using TEOS with good flatness as a raw material is formed on the HDP-CVD film. That is, the interlayer insulating film formed between the wiring layers has a two-layer structure of the HDP-CVD film and the TEOS film. This two-layer structure includes not only the interlayer insulating film between the first wiring layer and the second wiring layer, but also the interlayer insulating film between the second wiring layer and the third wiring layer and the interlayer on the third wiring layer. It is also used for insulating films.
しかし、HDP−CVD膜中には、水(H2O)、水素(H2)などの不純物が多数含まれており、これらの不純物が半導体基板に加えられる熱処理などによって不揮発性メモリ素子のゲート絶縁膜に浸入する。すると、ゲート絶縁膜がダメージを受け、不揮発性メモリ素子のしきい値電圧が変動してしまう問題点がある。すなわち、HDP−CVD膜中に存在する不純物に起因して不揮発性メモリ素子のデトラップ・リテンション特性が劣化してしまう。ここで、デトラップ・リテンション特性の劣化とは、不揮発性メモリ素子のしきい値が変動してしまうことをいう。特に、不揮発性メモリでは、しきい値変動の許容範囲が狭くなっているので、HDP−CVD膜中の不純物に起因したしきい値変動は誤動作を招きやすい。 However, the HDP-CVD film contains a large number of impurities such as water (H 2 O) and hydrogen (H 2 ), and the gate of the nonvolatile memory element is subjected to heat treatment or the like in which these impurities are applied to the semiconductor substrate. Penetration into the insulating film. Then, there is a problem in that the gate insulating film is damaged and the threshold voltage of the nonvolatile memory element fluctuates. That is, the detrapping / retention characteristics of the nonvolatile memory element deteriorate due to impurities present in the HDP-CVD film. Here, the deterioration of the detrapping retention characteristic means that the threshold value of the nonvolatile memory element changes. In particular, in a non-volatile memory, since the allowable range of threshold fluctuation is narrow, threshold fluctuation caused by impurities in the HDP-CVD film tends to cause malfunction.
そこで、不揮発性メモリ素子のデトラップ・リテンション特性の劣化を防止するために、水や水素などの不純物をトラップする膜を不揮発性メモリ素子とHDP−CVD膜との間に挿入することが行なわれている。すなわち、水や水素などの不純物をトラップする性質を有するシリコンリッチな酸化膜(SiO、SiON、SiOCなど)を不揮発性メモリ素子とHDP−CVD膜の間に挿入して不純物が不揮発性メモリ素子のゲート絶縁膜に浸入しないようにしている。ここで、シリコンリッチな酸化膜とは、シリコン原子に対する酸素原子の割合が1.9〜2.0である酸化シリコン膜に比べて、シリコン原子に対する酸素原子の割合が低い膜をいい、シリコン原子に対する酸素原子の割合が1.9未満である酸化シリコン膜、酸窒化シリコン(SiON)膜や炭素含有酸化シリコン(SiOC)膜などが含まれる。 Therefore, in order to prevent the deterioration of the detrapping / retention characteristics of the nonvolatile memory element, a film for trapping impurities such as water and hydrogen is inserted between the nonvolatile memory element and the HDP-CVD film. Yes. That is, a silicon-rich oxide film (SiO, SiON, SiOC, etc.) having the property of trapping impurities such as water and hydrogen is inserted between the nonvolatile memory element and the HDP-CVD film, and the impurities are removed from the nonvolatile memory element. The gate insulating film is prevented from entering. Here, the silicon-rich oxide film refers to a film having a lower ratio of oxygen atoms to silicon atoms than a silicon oxide film having a ratio of oxygen atoms to silicon atoms of 1.9 to 2.0. Examples include a silicon oxide film, a silicon oxynitride (SiON) film, a carbon-containing silicon oxide (SiOC) film, and the like in which the ratio of oxygen atoms to is less than 1.9.
シリコンリッチな酸化膜を不揮発性メモリ素子とHDP−CVD膜の間に挿入する方法として、第1に、第1配線層を形成した直後にシリコンリッチな酸化膜を形成することが考えられる。つまり、第1配線層とHDP−CVD酸化膜の間にシリコンリッチな酸化膜を形成することが考えられる。しかし、微細化によって第1配線層である配線間の距離が狭くなってきているので、第1配線層を形成する配線間の埋め込みマージンが不足する。すなわち、配線間に形成されているスペースをHDP−CVD膜で埋め込むが、HDP−CVD膜を形成する前に、配線上にシリコンリッチな酸化膜を形成すると、配線間に形成されているスペースのアスペクト比が大きくなり、HDP−CVD膜でも充分に埋め込むことができなくなる問題点が発生する。配線間に形成されているスペースを充分に埋め込むことができないと、層間絶縁膜に、いわゆる「す」が発生してしまう。層間絶縁膜に「す」が発生すると、この層間絶縁膜上に形成される金属膜が、「す」の内部に残留し、配線間のショート不良を引き起こす原因ともなる。このことから、第1配線層を形成した後にシリコンリッチな酸化膜を形成する場合、デトラップ・リテンション特性の劣化を防止する効果を有するだけの膜厚のシリコンリッチな酸化膜を成膜することは困難になるという問題点がある。 As a method for inserting a silicon-rich oxide film between the nonvolatile memory element and the HDP-CVD film, first, it is conceivable to form a silicon-rich oxide film immediately after forming the first wiring layer. That is, it can be considered that a silicon-rich oxide film is formed between the first wiring layer and the HDP-CVD oxide film. However, since the distance between the wirings which are the first wiring layers is becoming narrower due to the miniaturization, the embedding margin between the wirings forming the first wiring layer is insufficient. That is, the space formed between the wirings is filled with the HDP-CVD film, but if a silicon-rich oxide film is formed on the wirings before the HDP-CVD film is formed, the space formed between the wirings is reduced. The aspect ratio becomes large, and there is a problem that even the HDP-CVD film cannot be embedded sufficiently. If the space formed between the wirings cannot be sufficiently filled, so-called “su” is generated in the interlayer insulating film. When “su” is generated in the interlayer insulating film, the metal film formed on the interlayer insulating film remains inside the “su”, causing a short circuit defect between the wirings. Therefore, when a silicon-rich oxide film is formed after the first wiring layer is formed, it is not possible to form a silicon-rich oxide film having a thickness sufficient to prevent deterioration of the detrapping / retention characteristics. There is a problem that it becomes difficult.
第2に、シリコンリッチな酸化膜を第1配線層の直下に成膜することが考えられる。この場合、第1配線層の下層に形成されている層間絶縁膜の最上層にシリコンリッチな酸化膜を形成することになる。しかし、第1配線層の直下に形成される層間絶縁膜には、コンタクトホールが形成される。さらに、この層間絶縁膜上にエッチング技術を使用して第1配線層を形成する。したがって、コンタクトホール形成時および第1配線層形成時にシリコンリッチな酸化膜に削れが生じるため、シリコンリッチな酸化膜の削れ量を見込んで厚く形成する必要がある。ところが、シリコンリッチな酸化膜を厚く形成すると、コンタクトホールを形成する際、シリコンリッチな酸化膜はエッチングしにくいため、コンタクトホールを完全に形成する前にマスクとなるレジスト膜がなくなってしまうおそれがある。すると、コンタクトホールの形状不良を引き起こす問題点が発生する。つまり、シリコンリッチな酸化膜を厚く形成すると、コンタクトホールの形成マージンが不足する。 Second, it is conceivable to form a silicon-rich oxide film directly under the first wiring layer. In this case, a silicon-rich oxide film is formed on the uppermost layer of the interlayer insulating film formed below the first wiring layer. However, a contact hole is formed in the interlayer insulating film formed immediately below the first wiring layer. Further, a first wiring layer is formed on the interlayer insulating film using an etching technique. Therefore, since the silicon-rich oxide film is scraped when the contact hole is formed and the first wiring layer is formed, it is necessary to make the silicon-rich oxide film thick in consideration of the amount of scraping of the silicon-rich oxide film. However, if a silicon-rich oxide film is formed thickly, it is difficult to etch the silicon-rich oxide film when forming a contact hole. Therefore, there is a possibility that the resist film serving as a mask is lost before the contact hole is completely formed. is there. Then, the problem which causes the shape defect of a contact hole generate | occur | produces. That is, when the silicon-rich oxide film is formed thick, the contact hole formation margin is insufficient.
本発明の目的は、上述した問題点を生じさせることなく、不揮発性メモリ素子のデトラップ・リテンション特性の劣化を防止することができる技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique capable of preventing the deterioration of the detrapping / retention characteristics of a nonvolatile memory element without causing the above-described problems.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
本発明による半導体装置は、半導体素子および複数の配線層を有する半導体装置であって、(a)第1層間絶縁膜と、(b)前記第1層間絶縁膜上に形成された第2層間絶縁膜と、(c)前記第1層間絶縁膜および前記第2層間絶縁膜を貫通する溝と、(d)前記溝に埋め込まれた配線とを備える。そして、前記第1層間絶縁膜は、前記第2層間絶縁膜を構成する酸素原子およびシリコン原子を含む膜に比べて、酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜であることを特徴とするものである。 A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device having a semiconductor element and a plurality of wiring layers, wherein (a) a first interlayer insulating film and (b) a second interlayer insulating formed on the first interlayer insulating film. A film, (c) a groove penetrating the first interlayer insulating film and the second interlayer insulating film, and (d) a wiring embedded in the groove. The first interlayer insulating film is a film having a larger ratio of silicon atoms to oxygen atoms than a film containing oxygen atoms and silicon atoms constituting the second interlayer insulating film. is there.
また、本発明による半導体装置の製造方法は、半導体素子および複数の配線層を有する半導体装置の製造方法であって、(a)第1層間絶縁膜を形成する工程と、(b)前記第1層間絶縁膜上に第2層間絶縁膜を形成する工程と、(c)前記第1層間絶縁膜および前記第2層間絶縁膜を貫通する溝を形成する工程とを備える。さらに、(d)前記溝内を含む前記第2層間絶縁膜上に導体膜を形成する工程と、(e)前記溝以外に形成された前記導体膜を除去することにより、前記溝に埋め込まれた前記導体膜よりなる配線を形成する工程とを備える。そして、前記第1層間絶縁膜は、前記第2層間絶縁膜を構成する酸素原子およびシリコン原子を含む膜に比べて、酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜であることを特徴とするものである。 A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a semiconductor element and a plurality of wiring layers, comprising: (a) a step of forming a first interlayer insulating film; and (b) the first method. Forming a second interlayer insulating film on the interlayer insulating film; and (c) forming a groove penetrating the first interlayer insulating film and the second interlayer insulating film. And (d) a step of forming a conductor film on the second interlayer insulating film including the inside of the groove; and (e) removing the conductor film formed other than the groove so as to be embedded in the groove. And forming a wiring made of the conductor film. The first interlayer insulating film is a film having a larger ratio of silicon atoms to oxygen atoms than a film containing oxygen atoms and silicon atoms constituting the second interlayer insulating film. is there.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
層間絶縁膜に埋め込み配線を形成し、この埋め込み配線を形成した層間絶縁膜の一部をシリコンリッチな酸化膜で形成したので、副作用なく不揮発性メモリ素子のデトラップ・リテンション特性の劣化を防止することができる。 A buried wiring is formed in the interlayer insulating film, and a part of the interlayer insulating film on which the buried wiring is formed is formed of a silicon-rich oxide film, so that the detrapping and retention characteristics of the nonvolatile memory element can be prevented from deteriorating without side effects. Can do.
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。 Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say.
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 Similarly, in the following embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc., of components, etc., unless otherwise specified, and in principle, it is considered that this is not clearly the case, it is substantially the same. Including those that are approximate or similar to the shape. The same applies to the above numerical values and ranges.
本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1における半導体装置の構成を示した断面図である。本実施の形態1における半導体装置では、不揮発性メモリ素子および多層配線が形成されている。図1において、シリコン単結晶よりなる半導体基板1の主面には、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)構造よりなる素子分離領域2が形成されており、素子分離領域2で分離された領域にはメモリセル形成領域および周辺回路形成領域が形成されている。半導体基板1のメモリセル形成領域にはp型ウェル3が形成されており、メモリセル形成領域の外側に形成されている周辺回路形成領域には、p型ウェル4が形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. In the semiconductor device according to the first embodiment, a nonvolatile memory element and a multilayer wiring are formed. In FIG. 1, an
メモリセル形成領域において、p型ウェル3上には不揮発性メモリ素子が形成されている。不揮発性メモリ素子は、p型ウェル3上にゲート絶縁膜5を有しており、このゲート絶縁膜5上に電荷を蓄積する浮遊ゲート電極6を有している。ゲート絶縁膜5は、例えば酸化シリコン膜より形成され、浮遊ゲート電極6はポリシリコン膜より形成されている。浮遊ゲート電極6上には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および酸化シリコン膜を積層したONO膜7が形成され、ONO膜7上にコントロールゲート電極8が形成されている。コントロールゲート電極8は、例えばポリシリコン膜から形成されている。
A nonvolatile memory element is formed on the p-type well 3 in the memory cell formation region. The nonvolatile memory element has a
コントロールゲート電極8に整合したp型ウェル3内にはn型半導体領域10が形成されている。このn型半導体領域10は、不揮発性メモリ素子のソース領域あるいはドレイン領域となるものである。ソース領域となるn型半導体領域10上には、プラグ15が形成されており、プラグ15を介してソース線(図示せず)に接続されている。また、ドレイン領域となるn型半導体領域10上には、プラグ16が形成されており、プラグ16を介してビット線となる配線20aに接続されている。
An n-
このように、不揮発性メモリ素子は、主にソース領域およびドレイン領域となる一対のn型半導体領域10と、これらの間に形成されたチャネル形成領域(p型ウェル3)を有している。そして、チャネル形成領域上にゲート絶縁膜5、浮遊ゲート電極6、ONO膜7およびコントロールゲート電極8を順次積層形成した構成をしている。
As described above, the nonvolatile memory element has a pair of n-
ここで、不揮発性メモリ素子の書き込み動作、読み出し動作および消去動作について簡単に説明する。まず、書き込み動作について説明する。不揮発性メモリ素子にデータを書き込むには、不揮発性メモリ素子のコントロールゲート電極8に、例えば9Vの電圧を印加し、不揮発性メモリ素子のドレイン領域に、例えば4Vの電圧を印加する。そして、p型ウェル3に、例えば3Vの電圧を印加し、不揮発性メモリ素子のソース領域を、例えば、0V(接地電位)に維持する。この結果、ソース領域とドレイン領域の間に形成されるチャネルにホットエレクトロンが発生する。このホットエレクトロンはエネルギーが高いので、チャネル上に形成されているゲート絶縁膜5をトンネルして、浮遊ゲート電極6内に注入される。これにより、不揮発性メモリ素子に書き込みが行なわれる。
Here, a write operation, a read operation, and an erase operation of the nonvolatile memory element will be briefly described. First, the write operation will be described. In order to write data to the nonvolatile memory element, a voltage of, for example, 9V is applied to the control gate electrode 8 of the nonvolatile memory element, and a voltage of, for example, 4V is applied to the drain region of the nonvolatile memory element. Then, a voltage of, for example, 3V is applied to the p-
次に、読み出し動作について説明する。不揮発性メモリ素子のデータを読み出すには、不揮発性メモリ素子のコントロールゲート電極8に、例えば2.7Vの電圧を印加し、不揮発性メモリ素子のドレイン領域に、例えば0.8Vの電圧を印加する。そして、p型ウェル3および不揮発性メモリ素子のソース領域を、例えば0Vに維持する。この際、不揮発性メモリ素子のソース領域とドレイン領域の間に電流が流れるか否かで、不揮発性メモリ素子に記憶されているデータ(「1」もしくは「0」)を読み出す。不揮発性メモリ素子の浮遊ゲート電極6に電子が注入されていない場合、不揮発性メモリ素子のしきい値電圧は小さくなるので、ソース領域とドレイン領域との間のチャネル領域に電流が流れる。このため、例えば、電流が流れるので不揮発性メモリ素子に「0」のデータが記憶されていることがわかる。一方、浮遊ゲート電極6に電子が注入されている場合、不揮発性メモリ素子のしきい値電圧は大きくなるので、チャネル領域に電流が流れない。このため、例えば、電流が流れないので不揮発性メモリ素子に「1」のデータが記憶されていることがわかる。このように、不揮発性メモリ素子では、浮遊ゲート電極6に電子が注入されているか否かによってしきい値電圧が変化することを利用してデータを記憶している。ここで、水や水素などの不純物が不揮発性メモリ素子のゲート絶縁膜5に浸入すると、不揮発性メモリ素子のしきい値電圧が変動する現象が生じる。すると、浮遊ゲート電極6に電子が注入されていないにもかかわらず、不純物の影響でしきい値電圧が上昇し電流が流れなくなるおそれがある。すると、本来不揮発性メモリ素子に「0」が記憶されているにもかかわらず、しきい値が上昇して電流が流れないので、あたかも不揮発性メモリ素子に「1」が記憶されているような誤動作を生じるおそれがある。水や水素などの不純物の影響で不揮発性メモリ素子のしきい値電圧が変動する現象は、デトラップ・リテンション特性の劣化として表現される。不揮発性メモリ素子では、特に誤動作を防止して信頼性を向上させるため、デトラップ・リテンション特性の劣化を防止する必要があることがわかる。
Next, the reading operation will be described. In order to read data from the nonvolatile memory element, a voltage of, for example, 2.7 V is applied to the control gate electrode 8 of the nonvolatile memory element, and a voltage of, for example, 0.8 V is applied to the drain region of the nonvolatile memory element. . Then, the p-
次に、消去動作について説明する。不揮発性メモリ素子に書き込まれたデータを消去するには、不揮発性メモリ素子のコントロールゲート電極8に、例えば10.5Vの電圧を印加し、p型ウェル3および不揮発性メモリ素子のドレイン領域に、例えば10.5Vの電圧を印加する。そして、不揮発性メモリ素子のソース領域をフローティング状態(開放状態、open状態)に維持する。すると、トンネル現象により、浮遊ゲート電極6に注入されている電荷がゲート絶縁膜5を介してチャネル領域に移動し、電子の放出が行なわれる。これにより、浮遊ゲート電極6に注入されている電子の放出が行なわれ、不揮発性メモリ素子に記憶されているデータ「1」の消去を行なうことができる。
Next, the erase operation will be described. In order to erase the data written in the nonvolatile memory element, a voltage of 10.5 V, for example, is applied to the control gate electrode 8 of the nonvolatile memory element, and the drain region of the p-
次に、メモリセル形成領域の外周部には、コントロールゲート電極8と同層で形成されたダミー電極9が形成されている。このダミー電極9は、不揮発性メモリ素子形成時に生じる異物の影響を低減し、また、メモリセル形成領域と周辺回路形成領域との段差を少なくするなどのために形成される。 Next, a dummy electrode 9 formed in the same layer as the control gate electrode 8 is formed on the outer periphery of the memory cell formation region. The dummy electrode 9 is formed in order to reduce the influence of foreign matters generated when the nonvolatile memory element is formed, and to reduce the level difference between the memory cell formation region and the peripheral circuit formation region.
このダミー電極9の下層には、不揮発性メモリ素子と同様にONO膜7、浮遊ゲート電極6およびゲート絶縁膜5が形成されているが、不揮発性メモリ素子としては機能しないようになっている。
An ONO film 7, a floating
一方、周辺回路形成領域には、p型ウェル4が形成され、このp型ウェル4上にメモリセル選択用MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)が形成されている。メモリセル選択用MISFETは、メモリセル形成領域に形成された複数の不揮発性メモリ素子の中から、動作させる不揮発性メモリ素子を選択する機能を有している。このメモリセル選択用MISFETは、p型ウェル4上にゲート絶縁膜11を有し、このゲート絶縁膜11上にコントロールゲート電極8と同層で形成されたゲート電極12を有している。ゲート絶縁膜11は、例えば酸化シリコン膜から形成され、ゲート電極12は、例えばポリシリコン膜から形成されている。また、ゲート電極12に整合して、p型ウェル4内には、ソース領域あるいはドレイン領域となるn型半導体領域13が形成されている。そして、ソース領域あるいはドレイン領域となるn型半導体領域13には、プラグ16が電気的に接続され、プラグ16はそれぞれ配線20b、20cに電気的に接続されている。
On the other hand, a p-
次に、配線層の構造について説明する。図1に示すように、不揮発性メモリ素子およびメモリセル選択用MISFETの上部には例えば酸化シリコン膜よりなる絶縁膜14が形成されており、この絶縁膜14にプラグ15およびプラグ16が形成されている。プラグ16を形成した絶縁膜14には、第1配線層を形成する配線20a〜20cが形成されている。この配線20a〜20cは、埋め込み配線となっている。すなわち、絶縁膜14上には、層間絶縁膜(第1層間絶縁膜)17と層間絶縁膜(第2層間絶縁膜)18が形成されており、この層間絶縁膜17および層間絶縁膜18には、貫通する溝19が形成されている。そして、この溝19を埋め込むように配線20a〜20cが形成されている。
Next, the structure of the wiring layer will be described. As shown in FIG. 1, an insulating
ここで、層間絶縁膜17は、シリコンリッチな酸化膜から形成されている。シリコンリッチな酸化膜とは、シリコン原子に対する酸素原子の割合が1.9〜2.0である酸化シリコン膜に比べて、シリコン原子に対する酸素原子の割合が低い膜をいい、シリコン原子に対する酸素原子の割合が1.9未満である酸化シリコン膜、酸窒化シリコン(SiON)膜や炭素含有酸化シリコン(SiOC)膜などが含まれる。言い換えれば、シリコンリッチな酸化膜とは、シリコン原子に対する酸素原子の割合が1.9〜2.0である酸化シリコン膜に比べて、酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜であるということもできる。
Here, the
このようにシリコンリッチな酸化膜から構成される層間絶縁膜17は、後述するHDP−CVD膜24やHDP−CVD膜27に含まれる水や水素などの不純物を層間絶縁膜17の下層に形成されている不揮発性メモリ素子のゲート絶縁膜5やメモリセル選択用MISFETのゲート絶縁膜11に浸入させない機能を有している。つまり、シリコンリッチな酸化膜は、ゲート絶縁膜5、11にダメージを与える水や水素などの不純物を捕獲(トラップ)する性質を有しているので、HDP−CVD膜24、27で生じる不純物をゲート絶縁膜5、11に到達する前に除去することができる。したがって、不揮発性メモリ素子のデトラップ・リテンション特性の劣化を防止することができる。詳しく言えば、水や水素などの不純物がゲート絶縁膜5、11に浸入してしきい値電圧の変動を起こさせることを抑制することができる。
In this way, the
シリコンリッチな酸化膜から形成されている層間絶縁膜17上には、層間絶縁膜18が形成されている。層間絶縁膜18は、TEOS膜から形成されている。TEOS膜は通常の酸化シリコン膜であり、シリコン原子に対する酸素原子の割合が1.9〜2.0である酸化シリコン膜である。TEOS膜は、表面の平坦性が良好な膜である。このことから、層間絶縁膜17は、層間絶縁膜18に比べて酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜から構成されていることがわかる。
An interlayer insulating
本実施の形態1の一つの特徴は、層間絶縁膜18上に配線20a〜20cを形成するのではなく、層間絶縁膜17および層間絶縁膜18に埋め込むように配線20a〜20cを形成した点にある。すなわち、絶縁膜14上に形成される配線20a〜20cを通常の配線構造とするのではなく、層間絶縁膜17および層間絶縁膜18を埋め込む埋め込み配線とした点に一つの特徴がある。このように第1配線層を構成する配線20a〜20cを埋め込み配線とすることにより、層間絶縁膜17によるデトラップ・リテンション特性の劣化を防止しつつ、課題で述べた問題を解決することができるのである。
One feature of the first embodiment is that the
つまり、課題で述べたように、埋め込み配線を用いない場合には、一つの方法として絶縁膜14上に埋め込み配線ではない配線を形成する。そして、配線上にシリコンリッチな酸化膜を形成した後、配線による段差を埋め込むためHDP−CVD膜を形成する。このとき、配線とHDP−CVD膜との間にシリコンリッチな酸化膜を形成しているので、不揮発性メモリ素子のデトラップ・リテンション特性の劣化を防止することができる。しかし、シリコンリッチな酸化膜を形成することで、第1配線層を構成する配線間のスペースにおけるアスペクト比が高くなり、HDP−CVD膜でも充分に埋め込むことができない問題が発生する。これに対し、本実施の形態1では、埋め込み配線を用いることにより、シリコンリッチな酸化膜である層間絶縁膜17と同層に配線20a〜20cを形成することができる。したがって、シリコンリッチな酸化膜を形成したために、第1配線層を構成する配線間のスペースにおけるアスペクト比の上昇という問題は発生しない。さらに、配線20a〜20cは層間絶縁膜17および層間絶縁膜18に埋め込むように形成されているので、層間絶縁膜18の表面は平坦である。このため、配線20a〜20c上にHDP−CVD膜を成膜する必要がなく、不純物の発生源を第1配線層の直上に設けなくてもよい効果が得られる。
That is, as described in the problem, when the embedded wiring is not used, a wiring that is not the embedded wiring is formed on the insulating
また、課題で述べた他の方法として、第1配線層の直下にシリコンリッチな酸化膜を形成することが考えられる。しかし、この方法では、課題で述べたように、第1配線層の直下に形成するコンタクトホールの形状不良を引き起こす問題点がある。これは、第1配線層の直下に形成されるシリコンリッチな酸化膜がコンタクトホールの形成などにより削れが発生するため、削れ量を見込んで厚く形成することに起因する。しかし、本実施の形態1によれば、絶縁膜14にプラグ16を形成した後、絶縁膜14上にシリコンリッチな酸化膜である層間絶縁膜17を形成している。したがって、層間絶縁膜17によって絶縁膜14に形成するプラグ16の形状不良を引き起こすことはない。さらに、層間絶縁膜17上には、TEOS膜よりなる層間絶縁膜18が形成されている。このため、層間絶縁膜17および層間絶縁膜18にエッチングにより溝19を形成する際でも、シリコンリッチな酸化膜よりなる層間絶縁膜17が常に層間絶縁膜18によって保護されているので、削れを見込んで厚く形成する必要はない。つまり、本実施の形態1によれば、シリコンリッチな酸化膜をデトラップ・リテンション特性の劣化を防止するのに必要最小限の膜厚で成膜すればよいことになる。デトラップ・リテンション特性の劣化を防止するのに必要最小限の膜厚とは、例えば100nm以上300nm以下である。また、デトラップ・リテンション特性の劣化を防止するには、例えばシリコンリッチな酸化シリコン膜の場合、シリコン原子に対する酸素原子の割合が1.5以上1.9未満の膜を使用することが望ましい。
As another method described in the problem, it is conceivable to form a silicon-rich oxide film immediately below the first wiring layer. However, this method has a problem of causing a defective shape of the contact hole formed immediately below the first wiring layer as described in the problem. This is because the silicon-rich oxide film formed immediately below the first wiring layer is scraped due to the formation of contact holes and the like, and is formed thick with an expectation of the scraping amount. However, according to the first embodiment, after the
以上述べたように、本実施の形態1では、第1配線層を構成する配線20a〜20cを、シリコンリッチな酸化膜よりなる層間絶縁膜17と層間絶縁膜18に埋め込むように形成したので、課題で説明した問題点を発生させることなく、不揮発性メモリ素子のデトラップ・リテンション特性の劣化を防止することができる。
As described above, in the first embodiment, the
絶縁膜14に形成されるプラグ15およびプラグ16は、例えばチタン/窒化チタン膜よりなるバリアメタル膜と、タングステン膜の積層膜から形成される。同様に、第1配線層を構成する配線20a〜20cもチタン/窒化チタン膜およびタングステン膜の積層膜から構成される。
The
次に、配線20a〜20cを埋め込んだ層間絶縁膜18上には、例えばTEOS膜よりなる層間絶縁膜21が形成されており、この層間絶縁膜21にプラグ22が形成されている。そして、プラグ22を形成した層間絶縁膜21上には、第2配線層となる配線23が形成されている。この配線23は、第1配線層を構成する配線20a〜20cと異なり、埋め込み配線ではない構造で形成されている。したがって、層間絶縁膜21上には配線23が形成されている領域と配線23が形成されていない領域で段差が生じていることになる。配線23は、例えばチタン/窒化チタン膜、アルミニウム膜およびチタン/窒化チタン膜の積層膜から形成されている。
Next, an
配線23による段差を埋め込むため、配線23上を含む層間絶縁膜21上には、HDP−CVD膜24が形成されている。HDP−CVD膜24は、埋め込み特性に優れた高密度プラズマCVD法で形成した酸化シリコン膜である。高密度プラズマCVD法とは、原料のイオン密度が1012〜1013/cm3であるプラズマCVD法である。この高密度プラズマCVD法で成膜したHDP−CVD膜24は、段差を埋め込む埋め込み特性に優れた膜であるので、配線23による段差、すなわち、配線23間のスペースを良好に埋め込むことができる。一方、HDP−CVD膜は、水や水素などの不純物を多量に含んだ膜であるので、何らの対策もしないと、HDP−CVD膜24中に存在する不純物が下層に形成されているゲート絶縁膜5などに浸入し、しきい値電圧の変動を生じさせる問題点がある。しかし、本実施の形態1では、HDP−CVD膜24と不揮発性メモリ素子のゲート絶縁膜5との間の第1配線層に不純物を捕獲するシリコンリッチな酸化膜を形成しているので、ゲート絶縁膜5への不純物の浸入を防止することができ、不純物によるしきい値電圧の変動を抑制することができる。
An HDP-
HDP−CVD膜24上には、例えば平坦性に優れたTEOS膜よりなる層間絶縁膜25が形成されており、この層間絶縁膜25上に第3配線層を構成する配線26が形成されている。この配線26は、第1配線層を構成する配線20a〜20cと異なり、埋め込み配線ではない構造で形成されている。つまり、配線26は、配線23と同様の構成をしており、例えばチタン/窒化チタン膜、アルミニウム膜およびチタン/窒化チタン膜の積層膜から形成されている。
An interlayer insulating
配線26上を含む層間絶縁膜25上には、配線26による段差を埋め込むため、HDP−CVD膜27が形成されており、このHDP−CVD膜27上には、例えばTEOS膜よりなる層間絶縁膜28が形成されている。なお、この層以上の層の構成は同様であるので省略する。
An HDP-
次に、本実施の形態1における半導体装置の別の効果について説明する。図2は、図1の一部に対応した領域を示す断面図である。図2において、絶縁膜14上にはシリコンリッチな酸化膜よりなる層間絶縁膜17が形成されており、この層間絶縁膜17上にTEOS膜よりなる層間絶縁膜18が形成されている。そして、層間絶縁膜17および層間絶縁膜18には溝19が形成されており、この溝19に埋め込むように配線20a〜20cが形成されている。
Next, another effect of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a region corresponding to a part of FIG. In FIG. 2, an
配線20a〜20cを埋め込んだ層間絶縁膜18上には、層間絶縁膜21が形成されており、この層間絶縁膜21にプラグ22が形成されている。ここで、プラグ22は本来配線20a上に包含されるように形成されるが、図2では、位置ずれを起こしてプラグ22の一部が配線20aからはみ出している様子を示している。このようにプラグ22となる孔が配線20a上から位置ずれを起こした場合、孔は下層の半導体基板にまで達してしまう。すると、プラグ22によって半導体基板と配線とがショートしてしまう不具合が発生する。
An interlayer insulating
しかし、本実施の形態1では、絶縁膜14上にシリコンリッチな酸化膜からなる層間絶縁膜17が形成されている。層間絶縁膜21と層間絶縁膜18は同じ種類のTEOS膜から形成されているので、位置ずれを起こした場合、層間絶縁膜21だけでなく層間絶縁膜18もエッチングされてしまう。ところが、層間絶縁膜18の下層に形成されている層間絶縁膜17は、シリコンリッチな酸化膜から形成されている。TEOS膜とシリコンリッチな酸化膜では、シリコンの含有率が異なるため、エッチングされる度合が異なる。すなわち、シリコンリッチな酸化膜よりなる層間絶縁膜17は、TEOS膜よりなる層間絶縁膜18のエッチングストッパとしての役割を有する。このため、プラグ22を形成するための孔が位置ずれを起こしたとしても、エッチングは層間絶縁膜17で停止することになる。したがって、プラグ22によって半導体基板と配線が導通することはなく、半導体基板と配線とのショート不良を防止することができる。
However, in the first embodiment, an
次に、本実施の形態1における半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す図面においては、図1に示した不揮発性メモリ素子などの構造については省略し、絶縁膜14上の構成について説明する。つまり、本発明の特徴部分である配線層を製造する工程について説明する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. In the drawings shown below, the structure of the nonvolatile memory element shown in FIG. 1 is omitted, and the structure on the insulating
まず、図3に示すように、絶縁膜14にプラグ16を形成する。絶縁膜14にプラグ16を形成するには、絶縁膜14を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して絶縁膜14にコンタクトホールを形成する。そして、形成したコンタクトホール内を含む絶縁膜14上にチタン/窒化チタン膜およびタングステン膜を成膜する。続いて、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を使用して絶縁膜14の表面に形成されている不要なチタン/窒化チタン膜およびタングステン膜を除去する。これにより、コンタクトホール内にチタン/窒化チタン膜およびタングステン膜を埋め込んだプラグ16を形成することができる。
First, as shown in FIG. 3, the
次に、図4に示すように、プラグ16を形成した絶縁膜14上にシリコンリッチな酸化膜よりなる層間絶縁膜17を形成する。シリコンリッチな酸化膜はプラズマCVD法を用いて形成することができる。ここで使用するプラズマCVD法は、イオン密度が1012〜1013/cm3である高密度プラズマCVD法よりイオン密度の低いプラズマCVD法が用いられる。このプラズマCVD法によれば、高密度プラズマCVD法のように水や水素などの不純物を含有しない膜を形成することができる。本工程で使用するプラズマCVD法の成膜条件は、原料としてシランガス(SiH4)やN2Oなどが用いられ、圧力は数Torr(133.32Pa)である。これは、シリコンリッチな酸化膜がシリコンリッチな酸化シリコン膜である場合の条件である。シリコンリッチな酸化膜として、デトラップ・リテンション特性の劣化を防止するのに必要な膜厚である約100nm〜300nmを形成することが望ましいが、これ以上の膜厚を成膜してもよい。
Next, as shown in FIG. 4, an
続いて、層間絶縁膜17上にTEOS膜よりなる層間絶縁膜18を形成する。TEOS膜は、シリコンリッチな酸化膜を形成したときと同様に、高密度プラズマCVD法よりもイオン密度の低いプラズマCVD法が用いられる。このため、水や水素などの不純物のないTEOS膜を形成することができる。本工程で使用するプラズマCVD法の成膜条件は、原料としてTEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)、O2、Heなどが用いられ、圧力は数Torr(133.32Pa)である。
Subsequently, an
次に、図5に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、層間絶縁膜17および層間絶縁膜18を貫通する溝19を形成する。溝19はの底部には、プラグ16の表面が露出している。このとき、層間絶縁膜18を構成するTEOS膜と、層間絶縁膜17を構成するシリコンリッチな酸化膜のシリコン含有量の違いを利用することで、シリコンリッチな酸化膜がTEOS膜をエッチングする際のエッチングストッパとして機能するようにできる。このため、溝19の深さ制御が容易になる利点がある。
Next, as illustrated in FIG. 5, a
続いて、図6に示すように、溝19内を含む層間絶縁膜18上にチタン/窒化チタン膜19aを形成する。このチタン/窒化チタン膜19aは、バリアメタル膜としての機能を有し、例えばスパッタリング法を使用して形成することができる。その後、溝19内を埋め込むように、タングステン膜19bを形成する。タングステン膜19bは、例えばCVD法を用いて形成することができる。
Subsequently, as shown in FIG. 6, a titanium /
次に、図7に示すように、層間絶縁膜18上の不要なチタン/窒化チタン膜19aおよびタングステン膜19bを、例えばCMP法で除去することにより、第1配線層を構成する配線20a〜20cを形成することができる。すなわち、溝19に、チタン/窒化チタン膜19aおよびタングステン膜19bを埋め込んだ埋め込み配線を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 7, the unnecessary titanium /
続いて、図8に示すように、層間絶縁膜17および層間絶縁膜18に埋め込んだ配線20a〜20c上を含む層間絶縁膜18上に、例えばTEOS膜よりなる層間絶縁膜21を形成する。本実施の形態1では、第1配線層を構成する配線20a〜20cを埋め込み配線としているので、その表面は平坦化されている。したがって、デトラップ・リテンション特性の劣化をもたらすHDP−CVD膜を層間絶縁膜18上に形成する必要はなくなる。すなわち、層間絶縁膜18上には、HDP−CVD膜を形成せずに、直接、TEOS膜よりなる層間絶縁膜21を形成することができる。本実施の形態1では、HDP−CVD膜中に含まれる水や水素などを捕獲する性質を有するシリコンリッチな酸化膜を形成しているので、デトラップ・リテンション特性の劣化を防止することができる。さらに、第1配線層上にHDP−CVD膜を形成しなくてもよくなるため、不揮発性メモリ素子のデトラップ・リテンション特性の劣化を抑制することができ、本実施の形態1における半導体装置の信頼性向上を図ることができる。このように、第1配線層を埋め込み配線とすることで、第1配線層の直上にHDP−CVD膜を形成しなくてもよい効果も得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 8, an
次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、層間絶縁膜21に孔21aを形成する。孔21aの底部では、配線20aが露出する。ここで、図9に示すように、孔21aを形成する位置が本来形成されるべき場所からずれたとする。層間絶縁膜21はTEOS膜から形成されており、また、層間絶縁膜18もTEOS膜から形成されている。このため、孔21aが位置ずれを起こした場合、層間絶縁膜18もエッチングされてしまう。しかし、層間絶縁膜18の下層に形成されている層間絶縁膜17は、TEOS膜とはシリコンの含有量が異なるシリコンリッチな酸化膜から形成されている。したがって、位置ずれを起こした孔21aのエッチングは、層間絶縁膜17で停止することになる。つまり、TEOS膜をエッチングする条件において、シリコンリッチな酸化膜はエッチングされにくいため、エッチングストッパとして機能する。これにより、孔21aの形成位置がずれたとしても、孔21aが半導体基板にまで達することがなく配線と半導体基板がショートする不良を防止することができる。
Next, a
以下では、孔21aの位置ずれがないものとして説明する。図8に続く図10に示すように、孔21aを含む層間絶縁膜21上にチタン/窒化チタン膜およびタングステン膜を積層して形成する。そして、層間絶縁膜21上の不要なチタン/窒化チタン膜およびタングステン膜を例えばCMP法で除去する一方、孔21a内にチタン/窒化チタン膜およびタングステン膜を残すことによりプラグ22を形成する。
In the following description, it is assumed that the
続いて、図11に示すように、プラグ22を形成した層間絶縁膜21上に、順次、チタン/窒化チタン膜、アルミニウム膜、チタン/窒化チタン膜を積層する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、これらの積層膜をパターニングする。このパターニングにより、第2配線層を構成する配線23を形成する。この配線23は、層間絶縁膜21に埋め込まれた埋め込み配線ではなく、層間絶縁膜21上に形成された通常の配線構造をしている。このため、層間絶縁膜21上では、配線23が形成された領域が高くなっており、段差が形成されている。この段差を埋め込むため、図12に示すように、配線23を形成した層間絶縁膜21上に、段差の埋め込み特性に優れたHDP−CVD膜24を形成する。HDP−CVD膜24は、イオン密度が1012〜1013/cm3である高密度プラズマCVD法を用いて形成される。その成膜条件は、原料としてシランガス、O2、Arなどが用いられ、圧力は数mTorr(0.133Pa)である。このHDP−CVD膜24によれば、配線23による段差を良好に埋め込むことができるが、水や水素などの不純物が多量に含まれている。しかし、本実施の形態1では、第2配線層よりも下層の第1配線層に不純物を捕獲するシリコンリッチな酸化膜が形成されているので、不揮発性メモリ素子のデトラップ・リテンション特性の劣化を防止することができる。
Subsequently, as shown in FIG. 11, a titanium / titanium nitride film, an aluminum film, and a titanium / titanium nitride film are sequentially stacked on the
次に、HDP−CVD膜24上に、例えばTEOS膜からなる層間絶縁膜25を形成する。そして、図13に示すように、層間絶縁膜25上に、順次、チタン/窒化チタン膜、アルミニウム膜、チタン/窒化チタン膜を積層して形成する。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、これらの積層膜をパターニングする。これにより、第3配線層を構成する配線26を形成することができる。
Next, an
続いて、図14に示すように、配線26を形成した層間絶縁膜25上にHDP−CVD膜27を形成し、このHDP−CVD膜27上に、例えばTEOS膜よりなる層間絶縁膜28を形成する。その後は同様にして、多層配線構造を形成する。このようにして、本実施の形態1における半導体装置を製造することができる。
Subsequently, as shown in FIG. 14, an HDP-
(実施の形態2)
前記実施の形態1では、第1配線層を構成する配線を埋め込み配線とする例について説明したが、本実施の形態2では、第1配線層および第2配線層を構成する配線を埋め込み配線とする例について説明する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the example in which the wiring configuring the first wiring layer is the embedded wiring has been described. However, in the second embodiment, the wiring configuring the first wiring layer and the second wiring layer is referred to as the embedded wiring. An example will be described.
図15は本実施の形態2における半導体装置の配線構造を示した断面図である。図15において、絶縁膜14より下層の構成は図1と同様であるため省略している。
FIG. 15 is a sectional view showing a wiring structure of the semiconductor device according to the second embodiment. In FIG. 15, the configuration below the insulating
図15において、プラグ16を形成した絶縁膜14上には、層間絶縁膜17および層間絶縁膜18が積層して形成されている。ここで、層間絶縁膜17はシリコンリッチな酸化膜から形成され、層間絶縁膜18はTEOS膜から形成されている。そして、層間絶縁膜17および層間絶縁膜18には、これらの膜を貫通する溝19が形成されており、この溝19に埋め込むように配線20a〜20cが形成されている。このように第1配線層を構成する配線20a〜20cが前記実施の形態1と同様に埋め込み配線で形成されているので、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。前記実施の形態1において、配線20a〜20cは、チタン/窒化チタン膜とタングステン膜の積層膜から形成されるとしていたが、本実施の形態2のように、配線20a〜20cをチタン/窒化チタン膜と銅膜の積層膜から形成するようにしてもよい。
In FIG. 15, an
配線20a〜20cを埋め込んだ層間絶縁膜18上には、配線20a〜20cを構成する銅の拡散を防止するため、バリア絶縁膜となる窒化シリコン膜29が形成されている。そして、この窒化シリコン膜29上には、例えば、TEOS膜よりなる層間絶縁膜30が形成されている。
A
この層間絶縁膜30には溝31が形成されており、この溝31の底部には配線20aの表面が露出している。溝31内にはプラグおよび配線32が形成されており、下層に形成されている配線20aと電気的に接続されている。第2配線層を構成する配線32も埋め込み配線として形成されており、層間絶縁膜30に形成された溝31に埋め込まれている。配線32は、例えば、チタン/窒化チタン膜および銅膜の積層膜から形成されている。
A
配線32を埋め込んだ層間絶縁膜30上には、銅の拡散を防止する窒化シリコン膜33が形成されており、この窒化シリコン膜33上に、例えばTEOS膜からなる層間絶縁膜34が形成されている。層間絶縁膜34上には第3配線層を構成する配線35が形成されている。配線35は埋め込み配線としてではなく通常の配線として形成されており、例えばチタン/窒化チタン膜、アルミニウム膜、チタン/窒化チタン膜の積層膜から形成されている。
A
配線35は、埋め込み配線でないため、層間絶縁膜34上の配線35が形成されている領域と配線35が形成されていない領域で段差が生じていることになる。したがって、段差を埋め込むため、配線35を形成した層間絶縁膜34上にはHDP−CVD膜36が形成されている。そして、HDP−CVD膜36上には、例えばTEOS膜からなる層間絶縁膜37が形成されている。
Since the
本実施の形態2によれば、第1配線層を構成する配線20a〜20cだけでなく、第2配線層を構成する配線32も埋め込み配線となっている。このため、第2配線層を構成する配線32による段差はなく、配線32を埋め込んだ層間絶縁膜30の表面は平坦である。したがって、第2配線層を構成する配線32上にHDP−CVD膜を形成する必要がない。前記実施の形態1では、第2配線層および第3配線層は埋め込み配線ではなかったので、それぞれの配線層上にHDP−CVD膜を形成する必要があった。これに対し、本実施の形態2では第2配線層も埋め込み配線としているので、第2配線層上にHDP−CVD膜を形成する必要がなくなる。このことから、本実施の形態2では、埋め込み配線ではない第3配線層上にだけHDP−CVD膜を形成すればよいことになる。すなわち、前記実施の形態1に比べて、HDP−CVD膜の数を低減することができるので、HDP−CVD膜中に存在する不純物に起因したデトラップ・リテンション特性の劣化をさらに抑制することができる。
According to the second embodiment, not only the
本実施の形態2における半導体装置は上記のように構成されており、以下にその製造方法について図面を参照しながら説明する。 The semiconductor device according to the second embodiment is configured as described above, and the manufacturing method thereof will be described below with reference to the drawings.
図3から図7までの工程は前記実施の形態1と同様である。ただし、配線20a〜20cを構成する材料としてチタン/窒化チタン膜と銅膜の積層膜を用いている。続いて、図16に示すように、配線20a〜20cを埋め込んだ層間絶縁膜18上に窒化シリコン膜29を形成する。窒化シリコン膜29は、配線20a〜20cを構成する銅が外部へ拡散することを防止する機能を有しており、例えばCVD法で形成することができる。
The steps from FIG. 3 to FIG. 7 are the same as those in the first embodiment. However, a laminated film of a titanium / titanium nitride film and a copper film is used as a material constituting the
次に、図17に示すように、配線20a〜20cを埋め込んだ層間絶縁膜18上は平坦であるので、HDP−CVD膜を成膜する必要はなく、窒化シリコン膜29上に、例えばTEOS膜よりなる層間絶縁膜30を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、層間絶縁膜30に溝31を形成する。
Next, as shown in FIG. 17, since the
続いて、溝31内を含む層間絶縁膜30上にチタン/窒化チタン膜および銅膜を積層して形成する。そして、層間絶縁膜30上に形成されている不要なチタン/窒化チタン膜および銅膜をCMP法で除去することにより、溝31内にだけチタン/窒化チタン膜および銅膜を埋め込み、図18に示すプラグおよび配線32を形成する。この配線32は、第2配線層を構成する配線となる。
Subsequently, a titanium / titanium nitride film and a copper film are stacked on the
ここで、第2配線層を構成する配線32は、埋め込み配線となっているので、配線32を埋め込んだ層間絶縁膜30の表面は平坦になっている。したがって、配線32を埋め込んだ層間絶縁膜30上にHDP−CVD膜を形成する必要はなく、図19に示すように、窒化シリコン膜33を形成した後、例えばTEOS膜からなる層間絶縁膜34を形成する。そして、層間絶縁膜34上に、チタン/窒化チタン膜、アルミニウム膜、チタン/窒化チタン膜を積層して形成する。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、これらの積層膜をパターニングする。このパターニングにより、第3配線層を構成する配線35を形成することができる。
Here, since the
次に、図15に示すように、配線35による段差を埋め込むためHDP−CVD膜36を形成し、このHDP−CVD膜36上に、例えばTEOS膜よりなる層間絶縁膜37を形成する。以下の工程は同様なので省略する。このようにして、本実施の形態2における半導体装置を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 15, an HDP-
なお、本実施の形態2においても、シリコンリッチな酸化膜からなる層間絶縁膜17が溝31を形成する際のエッチングストッパとしての役割を有するので、溝31の突き抜けによる配線と半導体基板との間のショート不良を容易に防止することができる。
Also in the second embodiment, since the
(実施の形態3)
前記実施の形態1では第1配線層を構成する配線20aと同層で形成された層間絶縁膜17をシリコンリッチな酸化膜とする例について説明した。本実施の形態3では、シリコンリッチな酸化膜を複数の層に分けて形成する例について説明する。
(Embodiment 3)
In the first embodiment, the example in which the
図20は、本実施の形態3における半導体装置の配線構造を示した断面図である。図20に示すように、本実施の形態3では、シリコンリッチな酸化膜が層間絶縁膜(第1層間絶縁膜)17aと層間絶縁膜(第3層間絶縁膜)17bに形成されている。すなわち、第1配線層を構成する配線20aと同層の層間絶縁膜17aをシリコンリッチな酸化膜としているとともに、第1配線層の上部にシリコンリッチな酸化膜よりなる層間絶縁膜17bを形成している。このように構成することによっても、不揮発性メモリ素子のデトラップ・リテンション特性の劣化を防止することができる。
FIG. 20 is a cross-sectional view showing the wiring structure of the semiconductor device according to the third embodiment. As shown in FIG. 20, in the third embodiment, silicon-rich oxide films are formed on the interlayer insulating film (first interlayer insulating film) 17a and the interlayer insulating film (third interlayer insulating film) 17b. That is, the
ここで、第1配線層の上部にもシリコンリッチな酸化膜よりなる層間絶縁膜17bを形成している。第1配線層は埋め込み配線で形成しているので、第1配線層を埋め込んだ層間絶縁膜(第2層間絶縁膜)18の表面は平坦である。すなわち、層間絶縁膜18の表面は第1配線層による段差は生じていない。したがって、第1配線層を埋め込んだ層間絶縁膜18上に層間絶縁膜17bを形成しても問題ない。
Here, an
層間絶縁膜17a、17bはシリコンリッチな酸化膜から形成されている。一方、層間絶縁膜18は通常の酸化シリコン膜から形成されており、シリコン原子に対する酸素原子の割合が1.9〜2.0である酸化シリコン膜である。したがって、層間絶縁膜17a、17bは、層間絶縁膜18に比べて酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜から構成されていることがわかる。
The
本実施の形態3のようにシリコンリッチな酸化膜を複数の層に分ける場合は、以下に示す利点がある。半導体装置の微細化に伴い、配線層の薄膜化も進んでいる。この場合、配線20aを埋め込む層間絶縁膜17aおよび層間絶縁膜18の薄膜化が要求される。したがって、シリコンリッチな酸化膜よりなる層間絶縁膜17aの膜厚だけでは、デトラップ・リテンション特性の劣化を防止するだけの膜厚を確保することが困難になる。このとき、層間絶縁膜17aの他に、配線20a上にシリコンリッチな酸化膜よりなる層間絶縁膜17bを形成することによって、デトラップ・リテンション特性の劣化を防止するだけの膜厚を確保することができる。すなわち、層間絶縁膜17aと層間絶縁膜17bの合わせた膜厚がデトラップ・リテンション特性の劣化を防止できる必要最小限以上の膜厚になれば、半導体装置の信頼性を向上させることができるのである。本実施の形態3によれば、埋め込み配線からなる第1配線層の膜厚を薄膜化するとともに、デトラップ・リテンション特性の劣化を防止できる効果が得られる。例えば、層間絶縁膜17aと層間絶縁膜17bとの合わせた膜厚を、100nm以上300nmにすることによって、デトラップ・リテンション特性の劣化を防止することができる。
When the silicon-rich oxide film is divided into a plurality of layers as in the third embodiment, there are the following advantages. Along with the miniaturization of semiconductor devices, the wiring layer is becoming thinner. In this case, it is required to reduce the thickness of the
次に、本実施の形態3における半導体装置の製造方法について、前記実施の形態1と異なる点を簡単に説明する。まず、図3から図7までの工程は前記実施の形態1と同様である。ただし、図20に示す層間絶縁膜17aの膜厚を層間絶縁膜17に比べて薄く形成する。これにより、第1配線層の薄膜化が可能となる。
Next, the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment will be briefly described with respect to differences from the first embodiment. First, the steps from FIG. 3 to FIG. 7 are the same as those in the first embodiment. However, the
続いて、図20に示すように、配線20a〜20cを埋め込んだ層間絶縁膜18上にシリコンリッチな酸化膜よりなる層間絶縁膜17bを形成する。層間絶縁膜17bも層間絶縁膜17aと同様に、高密度プラズマCVD法よりもイオン濃度の低いプラズマCVD法によって形成することができる。層間絶縁膜17aと層間絶縁膜17bを合わせた膜厚は、例えば100nm以上300nm以下になるように形成される。以下の工程は、前記実施の形態1と同様なので、説明を省略する。このようにして、本実施の形態3における半導体装置を製造することができる。
Subsequently, as shown in FIG. 20, an
なお、本実施の形態3においても、シリコンリッチな酸化膜からなる層間絶縁膜17bがプラグ22を形成する際のエッチングストッパとしての役割を有するので、プラグ22の突き抜けによる配線と半導体基板との間のショート不良を容易に防止することができる。
In the third embodiment, the
(実施の形態4)
前記実施の形態1では、第1配線層を構成する配線20aと同層で形成された層間絶縁膜17をシリコンリッチな酸化膜で形成する例について説明した。本実施の形態4では、埋め込み配線である第1配線層の上部にシリコンリッチな酸化膜を形成する例について説明する。
(Embodiment 4)
In the first embodiment, the example in which the
図21は、本実施の形態4における半導体装置の配線構造を示す断面図である。図21に示すように、プラグ16を形成した絶縁膜14上に、例えばTEOS膜よりなる層間絶縁膜(第4層間絶縁膜)18が形成されている。そして、この層間絶縁膜18には溝19が形成されており、この溝19を埋め込むように配線20a〜20cが形成されている。
配線20a〜20cを埋め込んだ層間絶縁膜18上にシリコンリッチな酸化膜よりなる層間絶縁膜(第5層間絶縁膜)17が形成されている。この層間絶縁膜17を設けることにより、不揮発性メモリ素子のデトラップ・リテンション特性の劣化を防止することができる。すなわち、前記実施の形態1では、配線20a〜20cと同層に層間絶縁膜17を形成したが、本実施の形態4では配線20a〜20cを埋め込んだ層間絶縁膜18上に層間絶縁膜17を形成している。このように形成しても、HDP−CVD膜24、27に含まれる不純物を不揮発性メモリ素子に到達する前に捕獲できるので、デトラップ・リテンション特性の劣化を防止することができる。
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a wiring structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 21, an interlayer insulating film (fourth interlayer insulating film) 18 made of, for example, a TEOS film is formed on the insulating
An interlayer insulating film (fifth interlayer insulating film) 17 made of a silicon-rich oxide film is formed on the
ここで、第1配線層を構成する配線20a〜20cは埋め込み配線で形成しているので、第1配線層を埋め込んだ層間絶縁膜18の表面は平坦である。すなわち、層間絶縁膜18の表面は第1配線層による段差は生じていない。したがって、第1配線層を埋め込んだ層間絶縁膜18上に層間絶縁膜17を形成しても問題ない。
Here, since the
層間絶縁膜17はシリコンリッチな酸化膜から形成されている。一方、層間絶縁膜18は通常の酸化シリコン膜から形成されており、シリコン原子に対する酸素原子の割合が1.9〜2.0である酸化シリコン膜である。したがって、層間絶縁膜17は、層間絶縁膜18に比べて酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜から構成されていることがわかる。
The
次に、本実施の形態4における半導体装置の製造方法について、前記実施の形態1と異なる点を簡単に説明する。 Next, the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment will be briefly described with respect to differences from the first embodiment.
本実施の形態4では、図21に示すように、プラグ16を形成した絶縁膜14上に、例えばTEOS膜よりなる層間絶縁膜18を形成する。そして、層間絶縁膜18に溝19を形成した後、この溝19に埋め込むように配線20a〜20cを形成する。その後、配線20a〜20cを埋め込んだ層間絶縁膜18上に、層間絶縁膜17を形成する。この層間絶縁膜17は、シリコンリッチな酸化膜から形成される。この後の工程は前記実施の形態1と同様なので説明を省略する。このようして、本実施の形態4における半導体装置を製造することができる。
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 21, an
なお、本実施の形態4においても、シリコンリッチな酸化膜からなる層間絶縁膜17がプラグ22を形成する際のエッチングストッパとしての役割を有するので、プラグ22の突き抜けによる配線と半導体基板との間のショート不良を容易に防止することができる。
Also in the fourth embodiment, since the
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
前記実施の形態では、不揮発性メモリ素子を形成した半導体装置に本発明を適用する例について説明したが、ゲート絶縁膜に不純物が浸入することによるしきい値電圧の変動は通常のMISFETでも生じる問題なので、通常のMISFETを形成した半導体装置に本発明を適用することもできる。 In the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to a semiconductor device in which a nonvolatile memory element is formed has been described. However, a threshold voltage variation caused by impurities entering a gate insulating film also occurs in a normal MISFET. Therefore, the present invention can be applied to a semiconductor device in which a normal MISFET is formed.
本発明は、半導体装置を製造する製造業に幅広く利用することができる。 The present invention can be widely used in the manufacturing industry for manufacturing semiconductor devices.
1 半導体基板
2 素子分離領域
3 p型ウェル
4 p型ウェル
5 ゲート絶縁膜
6 浮遊ゲート電極
7 ONO膜
8 コントロールゲート電極
9 ダミー電極
10 n型半導体領域
11 ゲート絶縁膜
12 ゲート電極
13 n型半導体領域
14 絶縁膜
15 プラグ
16 プラグ
17 層間絶縁膜
17a 層間絶縁膜
17b 層間絶縁膜
18 層間絶縁膜
19 溝
19a チタン/窒化チタン膜
19b タングステン膜
20a〜20c 配線
21 層間絶縁膜
21a 孔
22 プラグ
23 配線
24 HDP−CVD膜
25 層間絶縁膜
26 配線
27 HDP−CVD膜
28 層間絶縁膜
29 窒化シリコン膜
30 層間絶縁膜
31 溝
32 配線
33 窒化シリコン膜
34 層間絶縁膜
35 配線
36 HDP−CVD膜
37 層間絶縁膜
1
Claims (20)
(a)前記半導体素子上に形成された第1層間絶縁膜と、
(b)前記第1層間絶縁膜上に形成された第2層間絶縁膜と、
(c)前記第1層間絶縁膜および前記第2層間絶縁膜を貫通する溝と、
(d)前記溝に埋め込まれた配線とを備え、
前記第1層間絶縁膜は、前記第2層間絶縁膜を構成する酸素原子およびシリコン原子を含む膜に比べて、酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a semiconductor element and a plurality of wiring layers,
(A) a first interlayer insulating film formed on the semiconductor element;
(B) a second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film;
(C) a groove penetrating the first interlayer insulating film and the second interlayer insulating film;
(D) a wiring embedded in the groove;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first interlayer insulating film is a film having a larger ratio of silicon atoms to oxygen atoms than a film containing oxygen atoms and silicon atoms constituting the second interlayer insulating film.
前記第3層間絶縁膜は、前記第2層間絶縁膜を構成する酸素原子およびシリコン原子を含む膜に比べて、酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 And a third interlayer insulating film formed on the second interlayer insulating film in which the wiring is embedded,
2. The third interlayer insulating film is a film having a larger ratio of silicon atoms to oxygen atoms than a film containing oxygen atoms and silicon atoms constituting the second interlayer insulating film. Semiconductor device.
(a)第4層間絶縁膜と、
(b)前記第4層間絶縁膜を貫通する溝と、
(c)前記溝に埋め込まれた配線と、
(d)前記配線を埋め込んだ第4層間絶縁膜上に形成された第5層間絶縁膜とを備え、
前記第5層間絶縁膜は、前記第4層間絶縁膜を構成する酸素原子およびシリコン原子を含む膜に比べて、酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a semiconductor element and a plurality of wiring layers,
(A) a fourth interlayer insulating film;
(B) a groove penetrating the fourth interlayer insulating film;
(C) a wiring embedded in the groove;
(D) a fifth interlayer insulating film formed on the fourth interlayer insulating film in which the wiring is embedded;
The semiconductor device according to claim 5, wherein the fifth interlayer insulating film is a film having a larger ratio of silicon atoms to oxygen atoms than a film containing oxygen atoms and silicon atoms constituting the fourth interlayer insulating film.
(a)半導体基板上に前記半導体素子を形成する工程と、
(b)前記半導体素子上に第1層間絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記第1層間絶縁膜上に第2層間絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記第1層間絶縁膜および前記第2層間絶縁膜を貫通する溝を形成する工程と、
(e)前記溝内を含む前記第2層間絶縁膜上に導体膜を形成する工程と、
(f)前記溝以外に形成された前記導体膜を除去することにより、前記溝に埋め込まれた前記導体膜よりなる配線を形成する工程とを備え、
前記第1層間絶縁膜は、前記第2層間絶縁膜を構成する酸素原子およびシリコン原子を含む膜に比べて、酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a semiconductor element and a plurality of wiring layers,
(A) forming the semiconductor element on a semiconductor substrate;
(B) forming a first interlayer insulating film on the semiconductor element;
(C) forming a second interlayer insulating film on the first interlayer insulating film;
(D) forming a groove penetrating the first interlayer insulating film and the second interlayer insulating film;
(E) forming a conductor film on the second interlayer insulating film including the inside of the groove;
(F) removing the conductor film formed other than the groove, thereby forming a wiring made of the conductor film embedded in the groove;
The first interlayer insulating film is a film having a larger ratio of silicon atoms to oxygen atoms than a film containing oxygen atoms and silicon atoms constituting the second interlayer insulating film. Method.
(g)前記配線を埋め込んだ前記第2層間絶縁膜上に第3層間絶縁膜を形成する工程を備え、
前記第3層間絶縁膜は、前記第2層間絶縁膜を構成する酸素原子およびシリコン原子を含む膜に比べて、酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜であることを特徴とする請求項14記載の半導体装置の製造方法。 further,
(G) comprising a step of forming a third interlayer insulating film on the second interlayer insulating film in which the wiring is embedded;
15. The third interlayer insulating film is a film having a larger ratio of silicon atoms to oxygen atoms than a film containing oxygen atoms and silicon atoms constituting the second interlayer insulating film. Semiconductor device manufacturing method.
(a)第4層間絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記第4層間絶縁膜を貫通する溝を形成する工程と、
(c)前記溝内を含む前記第4層間絶縁膜上に導体膜を形成する工程と、
(d)前記溝以外に形成された前記導体膜を除去することにより、前記溝に埋め込まれた前記導体膜よりなる配線を形成する工程と、
(e)前記配線を埋め込んだ前記第4層間絶縁膜上に第5層間絶縁膜を形成する工程とを備え、
前記第5層間絶縁膜は、前記第4層間絶縁膜を構成する酸素原子およびシリコン原子を含む膜に比べて、酸素原子に対するシリコン原子の割合が大きい膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a semiconductor element and a plurality of wiring layers,
(A) forming a fourth interlayer insulating film;
(B) forming a groove penetrating the fourth interlayer insulating film;
(C) forming a conductor film on the fourth interlayer insulating film including the inside of the groove;
(D) forming a wiring made of the conductor film embedded in the groove by removing the conductor film formed other than the groove;
(E) forming a fifth interlayer insulating film on the fourth interlayer insulating film in which the wiring is embedded, and
The fifth interlayer insulating film is a film having a larger ratio of silicon atoms to oxygen atoms than a film containing oxygen atoms and silicon atoms constituting the fourth interlayer insulating film. Method.
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