JP2008118045A - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特に、ペロブスカイト構造の高誘電体酸化物による容量素子と窒化物による容量素子と高抵抗金属材料による抵抗素子とを同一化合物半導体基板上に集積化した半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and in particular, a capacitive element made of a high dielectric oxide having a perovskite structure, a capacitive element made of nitride, and a resistive element made of a high resistance metal material are integrated on the same compound semiconductor substrate. The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
GaAsよりなる半絶縁性の半導体基板上に形成される電界効果型トランジスタ(以下、GaAsFETと称する。)は、その優れた性能により、通信機器とりわけ携帯電話端末等のパワーアンプおよびスイッチ等に利用されている。このGaAsFET等の能動素子と、抵抗素子及び容量素子等の受動素子とを集積化したモノリシックマイクロ波集積回路(以下、GaAsMMICと記載。)は特に広く実用化されている。近年では、GaAsよりなる半絶縁性の半導体基板上にトランジスタ等の能動素子を形成せず、容量素子や抵抗素子等の受動素子のみを集積した集積受動素子(以下、GaAsIPDと記載。)に対する需要も高まってきている。 A field effect transistor (hereinafter referred to as GaAsFET) formed on a semi-insulating semiconductor substrate made of GaAs is used for power amplifiers and switches of communication devices, particularly mobile phone terminals, etc. due to its excellent performance. ing. A monolithic microwave integrated circuit (hereinafter referred to as GaAsMMIC) in which an active element such as GaAsFET and a passive element such as a resistance element and a capacitance element are integrated has been particularly widely used. In recent years, there is a demand for an integrated passive element (hereinafter referred to as GaAsIPD) in which active elements such as transistors are not formed on a semi-insulating semiconductor substrate made of GaAs, and only passive elements such as capacitive elements and resistive elements are integrated. Is also growing.
GaAsMMICにおいて、直流成分のカットやグランドラインへのバイパスコンデンサ用に大容量の容量素子が必要とされている。しかしながら、大容量の容量素子を形成するには大きな面積が必要となり、チップ面積の50%近くを容量素子が占めてしまう場合がある。 In the GaAs MMIC, a large-capacity capacitive element is required for cutting a DC component and for a bypass capacitor to the ground line. However, a large area is required to form a large capacity capacitive element, and the capacitive element may occupy nearly 50% of the chip area.
そこで、チップ面積低減のためにSrTiO3に代表されるペロブスカイト構造の高誘電体酸化物による大容量の容量素子(以下、STO容量と記載。)を搭載したGaAsMMICが知られている。これらペロブスカイト構造の高誘電体酸化物は、従来用いられてきたSiO2(酸化シリコン)やSiN(窒化シリコン)等に比べて比誘電率が10倍以上高く、容量素子の面積を10分の1以下に出来るメリットがある。そのため、ペロブスカイト構造の高誘電体酸化物は大容量の容量素子の材料として望ましい。 Therefore, a GaAs MMIC equipped with a large capacity capacitor element (hereinafter referred to as STO capacity) made of a high dielectric oxide having a perovskite structure typified by SrTiO 3 for reducing the chip area is known. These high dielectric oxides having a perovskite structure have a relative dielectric constant 10 times or more higher than that of conventionally used SiO 2 (silicon oxide), SiN (silicon nitride), etc., and the area of the capacitive element is reduced to 1/10. There are the following merits. Therefore, a high-dielectric oxide having a perovskite structure is desirable as a material for a large-capacity capacitive element.
また、GaAsMMICでは、直流成分のカットやバイパスコンデンサに用いる大容量の容量素子のほかに、整合回路に用いる高精度で小容量の容量素子が必要とされている。このような容量素子は容量が数pFで容量の精度が5%以内のものである。高誘電体材料を用いた容量素子は高誘電率を有するために、高精度で小容量の容量素子を形成することは困難である。このため、GaAsMMICには高誘電体材料を用いた大容量の容量素子と精度が高く小容量の容量素子とを共存させて形成されることが望ましい。GaAsIPDにおいても同様のことが言える。 In addition, the GaAs MMIC requires a high-accuracy and small-capacitance element used for a matching circuit, in addition to a large-capacity capacitor element used for cutting a DC component and a bypass capacitor. Such a capacitive element has a capacitance of several pF and a capacitance accuracy within 5%. Since a capacitive element using a high dielectric material has a high dielectric constant, it is difficult to form a capacitive element with high accuracy and a small capacity. For this reason, it is desirable that the GaAs MMIC be formed by coexisting a large-capacity capacitive element using a high dielectric material and a small-capacitance capacitive element with high accuracy. The same can be said for GaAsIPD.
また、GaAs等の化合物半導体よりなる半導体装置の抵抗体には、抵抗としての必要な特性である線形性および高周波における安定性を実現するため、WSiNのようなW系からなる高抵抗金属膜が抵抗素子の抵抗体として使用されている。 In addition, a resistor of a semiconductor device made of a compound semiconductor such as GaAs has a high resistance metal film made of a W system such as WSiN in order to realize linearity and stability at high frequencies, which are necessary characteristics as resistance. It is used as a resistor for resistance elements.
前述のGaAsMMICならびにGaAsIPDにおいては、近年、さらなる低コスト化が求められている。特にプロセス技術にはGaAsMMICやGaAsIPDとしての素子の性能を落とすことなくプロセス工程の簡素化を行い、プロセスコストの低減を実現することが強く要望されている。 In the aforementioned GaAsMMIC and GaAsIPD, further cost reduction has been demanded in recent years. In particular, there is a strong demand for process technology to simplify process steps without reducing the performance of elements such as GaAsMMIC and GaAsIPD, and to realize reduction in process costs.
なお、このような要望に対応する技術としては、例えば、特許文献1、2に記載のものがある。特許文献1は、高誘電体材料を用いた大容量の容量素子と、SiO2またはSiNを用いた小容量の容量素子があり、それぞれの下部電極はTi、Au、Ptを順に積層した積層金属(以下、Ti/Au/Ptと記載)からなる電極としている。そして、下部電極をイオンミリング法により形成することで、上述の2種類の容量の下部電極の共用化を図っている。
In addition, there exists a thing of
また、特許文献2は、WSiNを用いた抵抗体に層間絶縁膜SiO2とのエッチング選択性を確保するために、抵抗体上部のコンタクト穴を形成する領域にエッチング選択性のあるAuを堆積することで、エッチング停止膜として利用している。
しかしながら、上記特許文献1に記載の半導体装置は、下部電極の上部に貴金属であるAuが堆積されている。Auは化学反応機構のドライエッチング(以下、化学反応性ドライエッチングと記載。)による加工が難しい。そのため、Auを堆積した下部電極を加工するのに、例えば、下部電極以外の領域をフォトレジストで保護しArによる物理的な機構のイオンミリング工程を実施した後に、フォトレジストを除去する工程を追加する必要があり、プロセス工数が増加してしまう。また、上記特許文献2に記載の半導体装置では、W系抵抗素子に直接コンタクトする。そのため、W系抵抗素子上部に堆積された絶縁膜にコンタクト穴をエッチングにより形成する必要があるが、W系抵抗素子がエッチングされてしまわないように、必ずAuによる保護領域を形成する必要があるため、プロセス工数が増加しプロセスコストが増加してしまう。W系抵抗素子にAuによる保護領域を設けない場合には、W系抵抗素子がエッチングにより削れてしまい、素子としての特性を損ねてしまう。
However, in the semiconductor device described in
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、素子の特性を損ねることなく、プロセスコストの低減を可能とする半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can reduce the process cost without deteriorating the characteristics of the element.
第1および第2の容量素子と抵抗素子とを備える半導体装置であって、半導体基板上に形成される第1の絶縁層と、前記第1の容量素子の一方の電極として、前記第1の絶縁層上に形成された複数の金属層からなる第1の積層金属層と、前記第1の積層金属層上に形成された高誘電体層と、前記第1の容量素子の他方の電極として、前記高誘電体層上に形成された複数の金属層からなる第2の積層金属層と、前記第2の容量素子の一方の電極として、前記第1の絶縁層上に形成された複数の金属層からなる第3の積層金属層と、前記第1の積層金属層上に形成された第2の絶縁層と、前記第2の容量素子の他方の電極として、前記第2の絶縁層上に形成された複数の金属層からなる第4の積層金属層と、前記第1の絶縁層上に形成された複数の金属層からなる第5および第6の積層金属層と、前記第1の絶縁層上に、前記第5の積層金属層と前記第6の積層金属層との間に形成された第1の金属材料からなる抵抗体とを備え、前記第1、第3、第5および第6の積層金属層は、同じ材料でかつ同じ層に島状に形成され、前記第5の積層金属層は前記抵抗体の一端に接し、前記第6の積層金属層は前記抵抗体の他端と接していることを備える。 A semiconductor device including first and second capacitor elements and a resistor element, wherein the first insulating layer formed on a semiconductor substrate and the first capacitor element as one electrode As a first laminated metal layer comprising a plurality of metal layers formed on an insulating layer, a high dielectric layer formed on the first laminated metal layer, and the other electrode of the first capacitor element A plurality of metal layers formed on the high dielectric layer, and a plurality of metal layers formed on the first insulating layer as one electrode of the second capacitor element. A third laminated metal layer made of a metal layer, a second insulating layer formed on the first laminated metal layer, and the other electrode of the second capacitor element on the second insulating layer A fourth laminated metal layer comprising a plurality of metal layers formed on the first insulating layer and a plurality of metal layers formed on the first insulating layer; 5th and 6th laminated metal layers comprising metal layers, and a first metal formed on the first insulating layer and between the fifth laminated metal layer and the sixth laminated metal layer And the first, third, fifth and sixth laminated metal layers are formed of the same material and in the same layer in the form of islands, and the fifth laminated metal layer is formed of the resistor. The sixth laminated metal layer is in contact with one end of the body, and is in contact with the other end of the resistor.
この構成によれば、誘電率の異なる容量素子ならびに抵抗素子を集積化する際、容量素子の片方の電極である第1の積層金属層と第3の積層金属層と抵抗素子を容量素子の電極とを接続する金属である第5および第6の積層金属層を同一の材料で同時に形成できるので、プロセス工数の抑制ができる。また、抵抗素子が第5、第6の積層金属層と接続されていることにより、抵抗素子とのコンタクトを形成する場合には、抵抗素子が接続されている第5、第6の積層金属層とコンタクトを形成すればよく、素子の特性を損ねないばかりか、抵抗素子に保護膜を形成するなどの余計な工程が付加されない分だけ、プロセス工数が低減される。例えば、抵抗素子上に形成された絶縁膜があり、抵抗素子上部の絶縁膜にエッチングによりコンタクト穴を形成し、抵抗素子とコンタクトを形成する場合には、抵抗素子も一部エッチングされてしまい、抵抗素子の特性を損ねてしまうというようなこともなくなる。 According to this configuration, when integrating the capacitive element and the resistive element having different dielectric constants, the first laminated metal layer, the third laminated metal layer, and the resistive element, which are one electrode of the capacitive element, are connected to the capacitive element electrode. Since the fifth and sixth laminated metal layers, which are the metals that connect the two, can be formed simultaneously with the same material, the number of process steps can be reduced. When the resistance element is connected to the fifth and sixth laminated metal layers to form a contact with the resistance element, the fifth and sixth laminated metal layers to which the resistance element is connected. It is only necessary to form a contact, which not only impairs the characteristics of the element, but also reduces the number of process steps by an extra step such as forming a protective film on the resistance element. For example, when there is an insulating film formed on a resistive element, and a contact hole is formed by etching in the insulating film above the resistive element, and the resistive element and the contact are formed, the resistive element is also partially etched, The characteristic of the resistance element is not impaired.
また、前記第1、第3、第5および第6の積層金属層は、最上の金属層がPtからなる
ことを備えてもよい。
The first, third, fifth, and sixth laminated metal layers may include the uppermost metal layer made of Pt.
この構成によれば、第1の積層金属層と第4の積層金属層と抵抗素子を接続する金属である第5および第6の積層金属層を化学反応性のドライエッチングにより選択的に加工することが可能となるので、物理的なエッチングしかできず、物理的なエッチング対象以外を保護するプロセスを増やす必要のあった従来技術と比べてプロセス工数の抑制ができる。また、Ptを厚くすることで、容量素子の電極の低抵抗化も図れる。また、例えば、第1の積層金属層と第4の積層金属層と抵抗素子を接続する金属である第5および第6の積層金属層上に絶縁層を形成し、これらの積層金属層上部の絶縁層の開口を形成する場合には、ドライエッチングに用いる反応ガスを選択することにより、Ptがエッチング停止膜としての役割を果たすこともできるので、エッチング停止膜としてAuを付加するのが不要となり、プロセス工数の抑制が可能となる。 According to this configuration, the fifth and sixth laminated metal layers that are metals connecting the first laminated metal layer, the fourth laminated metal layer, and the resistance element are selectively processed by chemical reactive dry etching. Therefore, the number of process steps can be reduced as compared with the conventional technique in which only physical etching can be performed and it is necessary to increase the number of processes for protecting other than physical etching targets. Further, by increasing Pt, the resistance of the electrode of the capacitor can be reduced. In addition, for example, an insulating layer is formed on the fifth and sixth laminated metal layers, which are metals connecting the first laminated metal layer, the fourth laminated metal layer, and the resistance element, and the upper parts of these laminated metal layers are formed. When forming an opening in the insulating layer, Pt can also serve as an etching stop film by selecting a reaction gas used for dry etching, so it is not necessary to add Au as an etching stop film. , Process man-hours can be reduced.
また、前記第1、第3、第5および第6の積層金属層は、最下の金属層がTiからなっていても良い。 In the first, third, fifth and sixth laminated metal layers, the lowermost metal layer may be made of Ti.
この構成によれば、絶縁層と密着性のよい材料から積層金属層が形成できる。
また、前記第1、第3、第5および第6の積層金属層は、最上の金属層および最下の金属層の間にAlからなる中間の金属層を含んでもよい。
According to this configuration, the laminated metal layer can be formed from a material having good adhesion to the insulating layer.
The first, third, fifth and sixth laminated metal layers may include an intermediate metal layer made of Al between the uppermost metal layer and the lowermost metal layer.
この構成によれば、Alを用いることにより積層金属層の低抵抗化が可能になる。また、AlはCl2で容易に化学反応性ドライエッチングが可能であるので、積層金属層のドライエッチングの高速化が可能となる。 According to this configuration, the resistance of the laminated metal layer can be reduced by using Al. In addition, since Al can be easily chemically reactive dry etched with Cl 2 , the dry etching speed of the laminated metal layer can be increased.
また、前記第1、第3、第5および第6の積層金属層は、さらに、前記中間の金属層と最上の金属層との間にTiからなる金属層を含んでもよい。 The first, third, fifth and sixth laminated metal layers may further include a metal layer made of Ti between the intermediate metal layer and the uppermost metal layer.
この構成によれば、Tiを用いることにより中間の金属層と最上の金属層との密着性が向上する。 According to this configuration, the adhesion between the intermediate metal layer and the uppermost metal layer is improved by using Ti.
また、前記半導体装置は、さらに、トランジスタ素子を備え、前記トランジスタ素子は、前記第1の絶縁層を除去された領域における前記半導体基板上に形成された第3の絶縁層と、前記第3の絶縁層を貫通し、前記トランジスタ素子の電極として形成された複数の金属層からなる第7の積層金属層とを有し、前記第7の積層金属層は、前記第4の積層金属層と同じ材料で形成されていてもよい。 The semiconductor device further includes a transistor element, and the transistor element includes a third insulating layer formed on the semiconductor substrate in the region where the first insulating layer is removed, and the third insulating layer. And a seventh laminated metal layer comprising a plurality of metal layers formed as electrodes of the transistor element through the insulating layer, the seventh laminated metal layer being the same as the fourth laminated metal layer It may be made of a material.
この構成によれば、半導体素子の電極と第4の積層金属層と同一の材料で同時に形成することができる。それにより、半導体素子と、第1の積層金属層と第3の積層金属層で挟まれる高誘電体からなる第1の容量素子と、第3の積層金属層と第4の積層金属層で挟まれる第2の絶縁体からなる第2の容量素子と、抵抗素子とを低コストで集積化することができる。 According to this configuration, the electrodes of the semiconductor element and the fourth laminated metal layer can be formed simultaneously with the same material. Accordingly, the semiconductor element, the first capacitor element made of a high dielectric sandwiched between the first multilayer metal layer and the third multilayer metal layer, and the third multilayer metal layer and the fourth multilayer metal layer are sandwiched. Thus, the second capacitor element made of the second insulator and the resistor element can be integrated at low cost.
また、前記第3の絶縁層は、前記第7の積層金属層の貫通する部分に形成された前記第4の絶縁層を有し、前記第4の絶縁層は、前記第2の絶縁層と同じ材料でかつ同じ層で形成されてもよい。このとき、前記半導体素子は、閾値電圧の異なる2つの電界効果トランジスタを含んでいてもよい。 The third insulating layer includes the fourth insulating layer formed in a portion penetrating the seventh laminated metal layer, and the fourth insulating layer includes the second insulating layer and the fourth insulating layer. The same material and the same layer may be used. At this time, the semiconductor element may include two field effect transistors having different threshold voltages.
この構成によれば、前記第3の絶縁層の開口部に電界効果トランジスタのソース電極、ドレイン電極、ゲート電極が形成されている場合、第3の絶縁層の開口部の側壁に第4の絶縁層が形成されることで、ゲート電極と半導体基板との接触面積が縮小されて短ゲート長化が実現される。また、第3の絶縁層の開口部の側壁に第4の絶縁層が形成されることで、ゲート電極とソース電極ならびにドレイン電極との距離が拡大されて電界効果トランジスタの高耐圧化が実現される。 According to this configuration, when the source electrode, the drain electrode, and the gate electrode of the field effect transistor are formed in the opening of the third insulating layer, the fourth insulating film is formed on the side wall of the opening of the third insulating layer. By forming the layer, the contact area between the gate electrode and the semiconductor substrate is reduced, thereby realizing a short gate length. In addition, since the fourth insulating layer is formed on the side wall of the opening of the third insulating layer, the distance between the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode is increased, and a high breakdown voltage of the field effect transistor is realized. The
また、本発明に関わる半導体装置の製造方法は、請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、半導体基板上に第1の絶縁層を形成する第1の工程と、前記第1、第3、第5および第6の積層金属層を形成する第2の工程と、前記第1の積層金属層上に高誘電体層を形成する第3の工程と、前記高誘電体層上に第2の積層金属層を形成する第4の工程と、前記第1の絶縁層上で、かつ前記第5の積層金属層と前記第6の積層金属層との間に、前記第5の積層金属層と前記第6の積層金属層と接するように第1の金属材料からなる抵抗体を形成する第5の工程と、前記第3の積層金属層上に前記第2の絶縁層を形成する第6の工程と、前記第2の絶縁層上に前記第4の積層金属層を形成する第7の工程とを備えることを特徴とする。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to
この構成によれば、第1の容量素子と、第2の容量素子との下部電極である第1および第3の積層金属層を同一材料で同時に形成でき、プロセスコストの抑制が可能になる。また、抵抗素子が第5、第6の積層金属層と接続されて形成されていることにより、抵抗素子とのコンタクトを形成する場合には、抵抗素子が接続されている第5、第6の積層金属層とコンタクトを形成すればよく、素子の特性を損ねないばかりか、抵抗素子に保護膜を形成するなどの余計な工程が付加されない分だけ、プロセス工数が低減される。例えば、抵抗素子上に形成された絶縁膜があり、抵抗素子上部の絶縁膜にエッチングによりコンタクト穴を形成し、抵抗素子とコンタクトを形成する場合には、抵抗素子も一部エッチングされてしまい、抵抗素子の特性を損ねてしまうというようなこともなくなる。 According to this configuration, the first and third laminated metal layers, which are lower electrodes of the first capacitor element and the second capacitor element, can be simultaneously formed of the same material, and the process cost can be suppressed. In addition, since the resistance element is formed by being connected to the fifth and sixth laminated metal layers, when the contact with the resistance element is to be formed, the fifth and sixth connected to the resistance element. It is only necessary to form a contact with the laminated metal layer, which not only impairs the characteristics of the element but also reduces the number of process steps by an extra step such as forming a protective film on the resistance element. For example, when there is an insulating film formed on a resistive element, and a contact hole is formed by etching in the insulating film above the resistive element, and the resistive element and the contact are formed, the resistive element is also partially etched, The characteristic of the resistance element is not impaired.
また、前記半導体装置の製造方法は、さらに、前記半導体装置は、前記第5の工程と前記第6の工程の間に、さらに、前記第1、第2、第3、第5および第6の積層金属層上に第4の絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記第4の絶縁層に前記第1、第2、第3、第5および第6の積層金属層に達する開口それぞれを同時に形成する開口工程とを含んでもよい。 Further, in the method for manufacturing the semiconductor device, the semiconductor device may further include the first, second, third, fifth and sixth steps between the fifth step and the sixth step. An insulating layer forming step of forming a fourth insulating layer on the laminated metal layer; and an opening reaching the first, second, third, fifth and sixth laminated metal layers in the fourth insulating layer. And an opening step formed simultaneously.
これによれば、第1、第2、第3、第5および第6の積層金属層に達する開口それぞれを同時にエッチングにより形成できるので、プロセスコストを低減することが出来る。 According to this, since the openings reaching the first, second, third, fifth and sixth laminated metal layers can be simultaneously formed by etching, the process cost can be reduced.
また、前記半導体装置は、さらに、トランジスタ素子を備え、前記トランジスタ素子は、前記第1の絶縁層を除去された領域における前記半導体基板上に形成された第3の絶縁層と、前記第3の絶縁層を貫通し、前記トランジスタ素子の電極として形成された複数の金属層からなる第7の積層金属層とを有し、前記第7の積層金属層は、前記第4の積層金属層と同じ材料でかつ同じ層で形成されることを特徴とする請求項第1に記載の半導体装置であって、前記半導体装置の製造方法は、前記第5の工程と前記第6の工程の間に、さらに、前記第1の絶縁層の一部を除去する工程と、前記第1絶縁層が除去された半導体基板上に前記第3の絶縁層と、前記第1、第2、第3、第5および第6の積層金属層上に前記第4の絶縁層とを同時に同材料で形成する絶縁層形成工程と、前記第3の絶縁層を開口する工程を含む前記開口工程と、前記第3の絶縁層の開口に前記第4の積層金属層を形成する工程を含む前記第7の工程とを備えてもよい。
The semiconductor device further includes a transistor element, and the transistor element includes a third insulating layer formed on the semiconductor substrate in the region where the first insulating layer is removed, and the third insulating layer. And a seventh laminated metal layer comprising a plurality of metal layers formed as electrodes of the transistor element through the insulating layer, the seventh laminated metal layer being the same as the fourth laminated metal layer 2. The semiconductor device according to
これによれば、第1の容量素子と第2の容量素子と抵抗素子とに加えて、トランジスタ素子の同一半導体基板上で形成する際、第1の容量素子と第2の容量素子と抵抗素子との形成する途中の工程の一部とトランジスタ素子を形成する途中の工程の一部とを同一プロセスで形成できる。そのため、2種類の容量素子と抵抗素子と電界効果トランジスタの集積化のプロセスコストを低減し実現出来る。 According to this, in addition to the first capacitor element, the second capacitor element, and the resistor element, when the transistor element is formed on the same semiconductor substrate, the first capacitor element, the second capacitor element, and the resistor element are formed. A part of the process in the middle of forming and a part of the process in the middle of forming the transistor element can be formed by the same process. Therefore, it is possible to reduce and realize the process cost of integrating the two types of capacitance elements, resistance elements, and field effect transistors.
また、前記第6の工程において、さらに、前記第3の絶縁層の開口の側壁にも前記第2の絶縁層を形成してもよい。 In the sixth step, the second insulating layer may be further formed on the side wall of the opening of the third insulating layer.
これによれば、前記第3の絶縁層の開口部に電界効果トランジスタのソース電極、ドレイン電極、ゲート電極が形成されている場合、第3の絶縁層の開口部の側壁に第4の絶縁層が形成されることで、ゲート電極と半導体基板との接触面積が縮小されて短ゲート長化が実現される。また、第3の絶縁層の開口部の側壁に第4の絶縁層が形成されることで、ゲート電極とソース電極ならびにドレイン電極との距離が拡大されてトランジスタ素子の高耐圧化が実現される。 According to this, when the source electrode, the drain electrode, and the gate electrode of the field effect transistor are formed in the opening of the third insulating layer, the fourth insulating layer is formed on the side wall of the opening of the third insulating layer. As a result, the contact area between the gate electrode and the semiconductor substrate is reduced, thereby realizing a shorter gate length. In addition, since the fourth insulating layer is formed on the side wall of the opening of the third insulating layer, the distance between the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode is increased, and the high breakdown voltage of the transistor element is realized. .
本発明によれば、素子の特性を損ねることなく、プロセスコストの低減を可能とする半導体装置およびその製造方法を実現することができる。よって、本発明により、携帯電話端末等のパワーアンプおよびスイッチ等の通信機器として低コスト化されたGaAsIPDやGaAsMMICを実現することができ、実用的価値は極めて高い。 According to the present invention, it is possible to realize a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device that can reduce the process cost without impairing the characteristics of the element. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize GaAsIPD and GaAsMMIC which are reduced in cost as communication devices such as power amplifiers and switches such as mobile phone terminals, and the practical value is extremely high.
以下、本発明の実施の形態における半導体装置について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, semiconductor devices according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置は、高誘電体容量素子と窒化物容量素子と金属抵抗素子とを集積化した、例えばGaAsIPDであり、高誘電体容量素子の下部電極と窒化物容量素子の下部電極と金属抵抗素子の下部電極とをエッチング停止膜を兼ねる材料で同時形成する。これにより、各素子の特性を損ねることなく、プロセス工数を抑制でき、プロセスコストの低減が実現できる。
(First embodiment)
The semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is, for example, a GaAsIPD in which a high dielectric capacitor element, a nitride capacitor element, and a metal resistor element are integrated, and the lower electrode of the high dielectric capacitor element is nitrided. The lower electrode of the physical capacitor and the lower electrode of the metal resistance element are formed simultaneously with a material that also serves as an etching stop film. Thereby, the process man-hour can be suppressed without impairing the characteristics of each element, and the process cost can be reduced.
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
図1に示す半導体装置100は、GaAsからなる半絶縁性の半導体基板101上に、SiO2からなる絶縁層102が形成され、絶縁層102上には、高誘電体容量素子部20と、抵抗素子部30と、窒化物容量素子部40とが形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
In the
高誘電体素子部20には、絶縁層102上に、下部電極となる積層金属層103と、容量層となるSrTiO3からなる高誘電体層104と、上部電極となる金属材料層105とが順に形成されている。さらに、容量層となるSrTiO3からなる高誘電体層104および上部電極となる金属材料層105を保護する絶縁層106が形成されている。抵抗素子部30には、SiO2からなる絶縁層102上の積層金属層103の間に、すわなち、積層金属層103の形成されていない領域(以下、コンタクト形成領域と記載。)に抵抗体として金属材料層107が形成されている。このとき、抵抗体である金属材料層107は、積層金属層103と接するように形成されている。窒化物容量素子部40には、絶縁層102上に、下部電極となる積層金属層103と、容量層となるSiNからなる絶縁層109と、上部電極となる積層金属層110とが形成されている。半導体装置100は、さらに、高誘電体容量素子部20と抵抗素子部30と積層金属層103とを保護する絶縁層108と、高誘電体容量層素子部20と抵抗素子部30と窒化物容量素子部40とを保護する絶縁層111と、上層配線となる金属材料層112とが順に形成されている。
In the high
ここで、高誘電体素子部20と窒化物容量素子部40とで下部電極となる積層金属層103は、半導体装置100において下層配線となっており、窒化物容量素子部40で上部電極となる積層金属層110は半導体装置100において中層配線となっている。
Here, the
また、ここでは半導体基板101としてGaAsを用いているが、例えば、InPを用いても良い。また、ここでは絶縁層108は、SiN/SiO2の積層により構成されているが、例えば、SiNのみもしくはSiO2のみから構成されても良い。また、ここでは金属材料層107はWSiNから構成されているが、例えば、WSiからもしくはWから構成されていても良い。
In addition, although GaAs is used as the
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の下層配線の構造を示す模式的な断面図である。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the lower layer wiring of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
半導体装置100において下層配線である積層金属層103は図2(a)〜図2(c)で示すように、2層〜4層から構成される。絶縁層102と接触する積層金属層103の最下層1031は絶縁層102と密着性のよい材料からなり、ここではTiが使用されている。SrTiO3からなる高誘電体層104と接触する積層金属層103の最上金属層1034は、酸化し難くSrTiO3の結晶方位を揃えやすい材料からなり、ここではPtが使用されている。また、Ptはガスを選択することで化学反応性エッチングが可能になる。積層金属層103は、図2(a)で示すように、TiとPtと(以下、Ti/Ptと記載。)からなる最下金属層1031と最上金属層1034の2層のみで構成されても良い。Pt膜厚を厚くし、化学反応性ドライエッチングにより加工することにより低抵抗な下層配線として積層金属層103を形成することが可能である。このとき、TiとPtとの化学反応性ドライエッチングにはCl2を反応性ガスとして用いる。また、図2(b)で示すように、Tiからなる最下金属層1031とPtからなる最上金属層1034の間に低抵抗金属からなる低抵抗金属層1032を形成しても良い。ここでは、Cl2で容易に化学反応性ドライエッチングが可能なAlが使用されており、Alを利用することによりドライエッチングの高速化と、材料コストの低減とが可能となっている。さらに、図2(c)に示すように、Alからなる低抵抗金属層1032とPtからなる最上金属層1034の間にTiからなる金属層1033を挿入しTi/Al/Ti/Pt層からなる積層金属層103を形成してもよい。それにより、Alからなる低抵抗金属層1032とPtからなる最上金属層1034との密着性を向上させることが可能となる。
In the
次に、以上のような構造を有する半導体装置の製造方法について詳細に説明する。なお、図1と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device having the above structure will be described in detail. The same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted here.
図3は、上記構造を有する半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a method for manufacturing a semiconductor device having the above structure.
(1)まず、図3(a)に示すように、GaAsからなる半絶縁性の半導体基板101上にP−CVD法によりSiO2からなる絶縁層102を、DCスパッタ法によりTi/Al/Ti/Pt層からなる積層金属層103を、O2ガスを用いたRFスパッタ法によりSrTiO3からなる高誘電体層104を、DCスパッタ法によりPtからなる金属材料層105を順次堆積させる。
(1) First, as shown in FIG. 3A, an insulating
(2)次に、図3(b)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、Cl2/Arガスを用いた化学反応性ドライエッチングによりPtからなる金属材料層105とSrTiO3からなる高誘電体層104とをエッチングする。これにより、高誘電体容量素子部20の金属材料層105からなる上部電極と高誘電体層104からなる容量層が形成される。
(2) Next, as shown in FIG. 3B, a predetermined region is patterned by photolithography, and a
(3)次に、図3(c)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、Cl2/Arガスを用いた化学反応性ドライエッチングによりTi/Al/Ti/Pt層からなる積層金属層103をエッチングする。これにより、高誘電体容量素子部20と窒化物容量素子部40との積層金属層103からなる下部電極と、抵抗素子部30の積層金属層103がない領域からなるコンタクト形成領域と、半導体装置100の積層金属層103からなる下層配線とが形成される。
(3) Next, as shown in FIG. 3C, a predetermined region is patterned by photolithography, and from the Ti / Al / Ti / Pt layer by chemical reactive dry etching using Cl 2 / Ar gas. The resulting
(4)次に、図3(d)に示すように、P−CVD法によりSiO2からなる絶縁層106を堆積させる。
(4) Next, as shown in FIG. 3D, an insulating
(5)次に、図3(e)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、希ふっ酸を用いたウェットエッチングにより高誘電体容量素子部20の側壁以外のSiO2からなる絶縁層106を除去することで、高誘電体容量素子部20と窒化物容量素子部40との積層金属層103からなる下部電極と、抵抗素子部30の積層金属層103がない領域からなるコンタクト形成領域とを露出させる。
(5) Next, as shown in FIG. 3 (e), a predetermined region is patterned by photolithography, and wet etching using dilute hydrofluoric acid is used to start from SiO 2 other than the sidewall of the high-dielectric
(6)次に、図3(f)に示すように、DCスパッタ法によりWSiNからなる金属材料層107を堆積させる。
(6) Next, as shown in FIG. 3F, a
(7)次に、図3(g)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、Cl2/O2ガスを用いた化学反応性ドライエッチングにより、積層金属層103がない領域からなるコンタクト領域をつなぐ抵抗体としてWSiNからなる金属材料層107を形成する。これにより、抵抗素子部30の抵抗体が形成される。
(7) Next, as shown in FIG. 3G, a predetermined region is patterned by photolithography, and a region without the
(8)次に、図3(h)に示すように、P−CVD法によりSiN/SiO2からなる絶縁体108を積層させる。
(8) Next, as shown in FIG. 3 (h), an
(9)次に、図3(i)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、CHF3/SF6ガスを用いた化学反応性ドライエッチングにより、高誘電体容量素子部20の上部電極および下部電極と、抵抗素子部30の積層金属層103と、窒化物容量素子部40の下部電極とのコンタクト用開口部を露出させる。
(9) Next, as shown in FIG. 3 (i), a predetermined region is patterned by photolithography, and chemically reactive dry etching using CHF 3 / SF 6 gas is used to perform high dielectric
ここで、積層金属層103は、絶縁層108をエッチングする際に、Ptからなる積層金属層103の最上層1034がエッチング停止層として機能する。
Here, in the
(10)次に、図3(j)に示すように、P−CVD法により窒化物容量素子部40の容量層となるSiNからなる絶縁層109を堆積させる。
(10) Next, as shown in FIG. 3J, an insulating
(11)次に、図4(k)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパタ−ンニングし、CHF3/SF6ガスを用いた化学反応性ドライエッチングにより、窒化物容量素子部40の領域を残してSiNからなる絶縁層109を除去する。
(11) Next, as shown in FIG. 4 (k), a predetermined region is patterned by photolithography, and a chemical reactive dry etching using CHF 3 / SF 6 gas is used to form a nitride
(12)次に、図4(l)に示すように、蒸着法によりTi/Al/Ti層からなる積層金属層110を蒸着する。
(12) Next, as shown in FIG. 4L, a
なお、ここでは金属材料層110はTi/Al/Tiから構成しているが、例えば、WSiN/Ti/Al/TiからもしくはW/Ti/Al/Tiから構成しても良い。
Here, the
(13)次に、図4(m)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、Cl2/BCl3ガスを用いた化学反応性ドライエッチングにより窒化物容量素子部40の上部電極ならびに半導体装置100の中層配線となる積層金属層110を形成する。
(13) Next, as shown in FIG. 4 (m), a predetermined region is patterned by photolithography, and the upper portion of the
(14)次に、図4(n)に示すように、P−CVD法によりSiNからなる絶縁層111を堆積する。
(14) Next, as shown in FIG. 4 (n), an insulating
(15)次に、図4(o)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、CHF3/SF6ガスを用いた化学反応性ドライエッチングに窒化物容量素子部40の上部電極ならびに半導体装置100の中層配線となる積層金属層110へのコンタクト用開口部を形成する。
(15) Next, as shown in FIG. 4 (o), a predetermined region is patterned by photolithography, and the upper portion of the
(16)次に、図4(p)に示すように、コンタクト用開口部付近に選択的にAuメッキを形成することで半導体装置100の上層配線となる金属材料層112が形成される。
(16) Next, as shown in FIG. 4 (p), a
以上のように、本発明の第1の実施の形態の半導体装置及びその製造方法によれば、抵抗素子部30のPtからなる最上層1034を有する積層金属層103上の絶縁層108をCF4系のガスを用いて化学反応性ドライエッチングする。抵抗素子部30のコンタクト用開口部を形成する際、Ptからなる最上層1034を有する積層金属層103がエッチング停止層として機能する。そのため、WSiN等のW系で形成された抵抗体上にAu系のエッチング停止膜を形成する必要がないため、プロセス工数を抑制することが可能となる。すなわち、プロセスコストの低減が可能となる。
As described above, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention, the insulating
また、高誘電体容量素子部20と窒化物容量素子部40との下部電極と、エッチング停止膜を兼ねた金属抵抗素子の下部電極とが積層金属層103により同一材料で共用されるので、プロセス工数を抑制することが可能となる。すなわち、プロセスコストの低減が可能となる。
In addition, since the lower electrode of the high dielectric
よって、本発明の第1の実施の形態の半導体装置及びその製造方法によれば、高誘電体容量素子と窒化物容量素子とを集積化することができるので、バイパスコンデンサ等に用いられる大容量の容量素子と整合回路等に用いられる高精度で小容量の容量素子とを集積化した半導体装置を実現することが出来る。 Therefore, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention, the high dielectric capacitor element and the nitride capacitor element can be integrated. Thus, it is possible to realize a semiconductor device in which a high-accuracy and small-capacitance element used in a matching circuit or the like is integrated.
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置は、GaAsFETと、高誘電体容量素子と窒化物容量素子と金属抵抗素子とを集積化した、例えばGaAsMMICであり、高誘電体容量素子の下部電極と窒化物容量素子の下部電極と、金属抵抗素子の下部電極とが、エッチング停止膜を兼ねる同材料で同時形成され、GaAsFETのゲート電極およびソース電極、ドレイン電極と窒化物容量素子の上部電極とが同材料で同時形成される。これにより、各素子の特性を損ねることなく、プロセス工数を抑制でき、プロセスコストの低減が実現できる。
(Second Embodiment)
The semiconductor device according to the second embodiment of the present invention is, for example, a GaAs MMIC in which a GaAsFET, a high dielectric capacitor, a nitride capacitor, and a metal resistor are integrated, and the lower part of the high dielectric capacitor. The electrode, the lower electrode of the nitride capacitive element, and the lower electrode of the metal resistive element are simultaneously formed of the same material that also serves as an etching stop film, and the gate electrode and source electrode of the GaAsFET, the drain electrode, and the upper electrode of the nitride capacitive element Are simultaneously formed of the same material. Thereby, the process man-hour can be suppressed without impairing the characteristics of each element, and the process cost can be reduced.
以下、本発明の第2の実施の形態に関わる半導体装置の構成について図を用いて説明する。 The configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。ここでは、図1と同一の要素には同一の符号が付されている。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Here, the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
図6に示す半導体装置100は、GaAsからなる半絶縁性の半導体基板101上に高誘電体容量素子20と抵抗素子部30と窒化物容量素子部40と電界効果トランジスタ部50とが形成されている。
A
高誘電体素子部20には、GaAsからなる半絶縁性の半導体基板101上に、SiO2からなる絶縁層102と、下部電極となる積層金属層103と、容量層となるSrTiO3からなる高誘電体層104と、上部電極となる金属材料層105とが順に形成されている。さらに、SrTiO3からなる高誘電体層104の容量層および金属材料層105の上部電極を保護する絶縁層106が形成されている。
The
抵抗素子部30には、GaAsからなる半絶縁性の半導体基板101上に、例えば、SiO2からなる絶縁層102が形成されており、高誘電素子部20および窒化物容量素子40で下部電極となる積層金属層103とその間、すなわち、下部電極をつなぐ抵抗体として、積層金属層103の上部と側壁に両端が接するように抵抗素子部30の領域の積層金属層103の形成されていない領域(以下、コンタクト形成領域と記載。)に抵抗体となる金属材料107が形成されている。窒化物容量素子部40には、GaAsからなる半絶縁性の半導体基板101上に、例えば、SiO2からなる絶縁層102と、下部電極となる積層金属層103と、容量層となるSiNからなる絶縁層109と、上部電極となる積層金属層110とが形成されている。電界効果トランジスタ50は、半導体基板101上に、SiO2からなる絶縁膜108が形成され、形成された絶縁膜108の開口部にゲート電極およびソース電極およびドレイン電極となる積層金属層110が形成されている。ゲート電極およびソース電極およびドレイン電極の側壁にはサイドウォールとなる絶縁層109が形成されている。また、基板101は、チャネル層とチャネル層上に形成された電子供給層と電子供給層に形成されたショットキー層を有している。さらに、電界効果トランジスタ50における基板101には、他の素子と電気的に絶縁するための素子分離領域208が形成されている。
In the
半導体装置100は、さらに、高誘電体容量素子部20と抵抗素子部30と積層金属層103とを保護する絶縁層108と、高誘電体容量層素子部20と抵抗素子部30と窒化物容量素子部40と電界効果トランジスタ部50とを保護する絶縁層111と、上層配線となる金属材料層112とが形成されている。
The
ここで、高誘電体素子部20と窒化物容量素子部40とで下部電極となる積層金属層103は、半導体装置100において下層配線であり、窒化物容量素子部40で上部電極となる積層金属層110は半導体装置100において中層配線である。
Here, the
また、ここでは半導体基板101としてGaAsを用いているが、例えば、InPを用いても良い。また、ここでは絶縁層108は、SiN/SiO2の積層により構成されているが、例えば、SiNのみもしくはSiO2のみから構成されても良い。また、ここでは金属材料層107はWSiNから構成されているが、例えば、WSiからもしくはWから構成されていても良い。
In addition, although GaAs is used as the
図6は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の下層配線の構造を示す模式的な断面図である。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the lower layer wiring of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
半導体装置100において下層配線である積層金属層103は図6(a)〜図6(c)で示すように、2層〜4層から構成される。絶縁層102と接触する積層金属層103の最下金属層1031は、絶縁層102と密着性のよい材料からなり、ここではTiが使用されている。SrTiO3からなる高誘電体層104と接触する積層金属層103の最上金属層1034は、酸化し難く、SrTiO3の結晶方位を揃えやすい材料からなり、ここではPtが使用されている。また、Ptはガスを選択することで化学反応性エッチングが可能になる。積層金属層103は図6(a)で示すように、Ti/Ptからなる最下金属層1031と最上金属層1034の2層のみで構成されても良い。Pt膜厚を厚くし、化学反応性ドライエッチングにより加工することで低抵抗な下層配線である積層金属層103を形成することが可能である。TiとPtとのドライエッチングにはCl2を反応性ガスに用いた化学反応性ドライエッチングを用いる。また、図6(b)で示すように、Tiからなる最下金属層1031とPtからなる最上金属層1034の間に低抵抗金属からなる低抵抗の金属層1032を形成しても良い。ここでは、Cl2で容易に化学反応性ドライエッチングが可能なAlが使用されており、Alを利用することによりドライエッチングの高速化と、材料コストの低減とが可能となっている。さらに、図6(c)に示すように、Alからなる低抵抗の金属層1032とPtからなる最上層1034の間にTiからなる金属層1033を挿入しTi/Al/Ti/Pt層からなる積層金属層103を形成してもよい。それにより、Alからなる低抵抗金属層1032とPtからなる最上層1034との密着性を向上させることが可能となる。
In the
次に、以上のような構造を有する半導体装置の製造方法について詳細に説明する。なお、図5と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device having the above structure will be described in detail. The same elements as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted here.
図7および図8は、上記構造を有する半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 7 and 8 are cross-sectional views for explaining a method for manufacturing a semiconductor device having the above structure.
(1)まず、図7(a)に示すように、GaAsからなる半絶縁性の半導体基板101上にP−CVD法によりSiO2からなる絶縁層102を、DCスパッタ法によりTi/Al/Ti/Pt層からなる積層金属層103を、O2ガスを用いたRFスパッタ法によりSrTiO3からなる高誘電体層104を、DCスパッタ法によりPtからなる金属材料層105を順次堆積させる。なお、ここで、図示していないが、GaAsからなる半絶縁性の半導体基板101はチャネル層とチャネル層上に形成された電子供給層と電子供給層に形成されたショットキー層を有している。
(1) First, as shown in FIG. 7A, an insulating
(2)次に、図7(b)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、Cl2/Arガスを用いた化学反応性ドライエッチングによりSrTiO3からなる高誘電体層104とPtからなる金属材料層105とをエッチングする。これにより、高誘電体容量素子部20の高誘電体層104からなる容量層と金属材料層105からなる上部電極とが形成される。
(2) Next, as shown in FIG. 7B, a predetermined region is patterned by photolithography, and a
(3)次に、図7(c)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、Cl2/Arガスを用いた化学反応性ドライエッチングによりTi/Al/Ti/Ptの4層からなる積層金属層103をエッチングする。これにより、高誘電体容量素子部20と窒化物容量素子部40との積層金属層103からなる下部電極と、抵抗素子部30の積層金属層103がない領域からなるコンタクト形成領域と、半導体装置100の積層金属層103からなる下層配線とが形成される。
(3) Next, as shown in FIG. 7C, a predetermined region is patterned by photolithography, and Ti / Al / Ti / Pt 4 is formed by chemical reactive dry etching using Cl 2 / Ar gas. The
(4)次に、図7(d)に示すように、P−CVD法によりSiO2からなる絶縁層106を堆積させる。
(4) Next, as shown in FIG. 7D, an insulating
(5)次に、図7(e)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、希ふっ酸を用いたウェットエッチングにより高誘電体容量素子部20の側壁以外のSiO2からなる絶縁層106を除去することで、高誘電体容量素子部20と窒化物容量素子部40の積層金属層103からなる下部電極と、抵抗素子部30の積層金属層103がない領域からなるコンタクト形成領域とを露出させる。
(5) Next, as shown in FIG. 7 (e), a predetermined region is patterned by photolithography, and wet etching using dilute hydrofluoric acid is used to start from SiO 2 other than the sidewalls of the high-dielectric
(6)次に、図7(f)に示すように、DCスパッタ法によりWSiNからなる金属材料層107を堆積させる。
(6) Next, as shown in FIG. 7F, a
(7)次に、図7(g)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、Cl2/O2ガスを用いた化学反応性ドライエッチングにより、積層金属層103がない領域からなるコンタクト形成領域に抵抗体としてWSiNからなる金属材料層107を形成する。これにより、抵抗素子部30の抵抗体が形成される。
(7) Next, as shown in FIG. 7 (g), a predetermined region is patterned by photolithography, and a region without the
(8)次に、図7(h)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、希ふっ酸を用いたウェットエッチングにより電界効果トランジスタ部50を形成する領域のSiO2からなる絶縁層102を除去し、半導体基板101の上部の電子供給層を露出させる。
(8) Next, as shown in FIG. 7H, a predetermined region is patterned by photolithography, and the field
(9)次に、図7(i)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、半導体基板101の上部にある電子供給層を除去する。そして、図9(j)に示すように、電子供給層を除去した半導体基板101の領域にイオン注入することにより電界効果トランジスタ部50と他の素子とを電気的に分離する素子分離領域208を形成する。
(9) Next, as shown in FIG. 7I, a predetermined region is patterned by photolithography, and the electron supply layer on the upper portion of the
(10)次に、図7(k)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、半導体基板101の一部の領域の電子供給層を除去しショットキー層を露出させる。
(10) Next, as shown in FIG. 7K, a predetermined region is patterned by photolithography, the electron supply layer in a partial region of the
(11)次に、図8(l)に示すように、P−CVD法によりSiN/SiO2からなる絶縁層108を堆積させる。
(11) Next, as shown in FIG. 8L, an insulating
(12)次に、図8(m)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、CHF3/SF6ガスを用いた化学反応性ドライエッチングにより、高誘電体容量素子部20の上部電極および下部電極と、抵抗素子部30の積層金属層103と、窒化物容量素子部40の下部電極とのコンタクト用開口部を露出し電界効果トランジスタ部50のゲートとなる領域の半導体基板101のショットキー層と、ソースおよびドレインとなる領域の半導体基板101の電子供給層とを露出する。
(12) Next, as shown in FIG. 8 (m), a predetermined region is patterned by photolithography, and chemically reactive dry etching using CHF 3 / SF 6 gas is used to perform high dielectric capacitor element portion 20 A semiconductor substrate in a region that exposes an opening for contact with the upper and lower electrodes, the
ここで、積層金属層103は、絶縁層108をエッチングする際に、Ptからなる積層金属層20の最上層1034がエッチング停止層として機能する。
Here, in the
(13)次に、図8(n)に示すように、P−CVD法により窒化物容量素子部40の容量層となるSiNからなる絶縁層109を堆積させる。
(13) Next, as shown in FIG. 8 (n), an insulating
(14)次に、図8(o)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、CHF3/SF6ガスを用いた化学反応性ドライエッチングにより、窒化物容量素子部40の領域を残してSiNからなる絶縁層109を除去する。このとき、同時に、電界効果トランジスタ部50のゲート電極およびソース電極およびドレイン電極の側壁にサイドウォールとしてSiNからなる絶縁層109を形成している。
(14) Next, as shown in FIG. 8 (o), a predetermined region is patterned by photolithography, and chemical reactive dry etching using CHF 3 / SF 6 gas is performed to form the nitride
(15)次に、図8(p)に示すように、蒸着法によりTi/Al/Ti層からなる積層金属層110を蒸着する。
(15) Next, as shown in FIG. 8 (p), a
なお、ここでは金属材料層110はTi/Al/Tiから構成しているが、例えば、WSiN/Ti/Al/TiからもしくはW/Ti/Al/Tiから構成しても良い。
Here, the
(16)次に、図8(q)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、Cl2/BCl3ガスを用いた化学反応性ドライエッチングにより、窒化物容量素子部40の上部電極と、電界効果トランジスタ部50のゲート電極およびソース電極およびドレイン電極と、半導体装置100において中層配線となる積層金属層110を形成する。
(16) Next, as shown in FIG. 8 (q), a predetermined region is patterned by photolithography, and chemical reactive dry etching using Cl 2 / BCl 3 gas is used to form the nitride
(17)次に、図8(r)に示すように、P−CVD法によりSiNからなる絶縁層111を堆積する。
(17) Next, as shown in FIG. 8 (r), an insulating
(18)次に、図8(s)に示すように、フォトリソグラフィーにより所定の領域をパターンニングし、CHF3/SF6ガスを用いた化学反応性ドライエッチングにより、窒化物容量素子部40の上部電極ならびに半導体装置100において中層配線となる積層金属層110へのコンタクト用開口部を形成する。
(18) Next, as shown in FIG. 8 (s), a predetermined region is patterned by photolithography, and chemical reactive dry etching using CHF 3 / SF 6 gas is used to form the nitride
(19)次に、図8(t)に示すように、コンタクト用開口部付近に選択的にAuメッキを形成することで半導体装置100の上層配線となる金属材料層112が形成される。
(19) Next, as shown in FIG. 8 (t), a
以上のように、本発明の第2の実施の形態の半導体装置及びその製造方法によれば、抵抗素子部30のPtからなる最上層1034を有する積層金属層103上の絶縁層108をCF4系のガスによるドライエッチングし、抵抗素子部30のコンタクト用開口部を形成する際、Ptからなる最上層1034を有する積層金属層103がエッチング停止層として機能する。そのため、WSiN等のW系で形成された抵抗体上にAu系のエッチング停止膜を形成する必要がないため、プロセス工数を抑制することが可能となる。すなわち、プロセスコストの低減が可能となる。
As described above, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention, the insulating
また、高誘電体容量素子部20と窒化物容量素子部30との下部電極とエッチング停止膜を兼ねた金属抵抗素子の下部電極とが積層金属層103により同一材料で共用化することができるので、プロセス工数を抑制することが可能となる。すなわち、プロセスコストの低減が可能となる。
In addition, since the lower electrode of the high
また、電界効果トランジスタ部50のゲート電極およびソース電極およびドレイン電極と、窒化物容量素子部40の上部電極とがTi/Al/Tiからなる積層金属層110により同一材料で共用化され同時形成できるので、プロセス工数の抑制することが可能になる。すなわち、プロセスコストの低減が可能となる。
Further, the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode of the field
さらに、電界効果トランジスタ部50のゲート電極およびソース電極およびドレイン電極にはサイドウォールとなる絶縁膜109が形成されている。これにより、電界効果トランジスタの短ゲート長化ならびに高耐圧化が可能になり、高性能化が実現される。このとき、電界効果トランジスタ部において形成されるサイドウォールとなる絶縁膜109は窒化物容量素子部40で形成される容量層となる絶縁膜109と同一材料でかつ同時形成されるので、プロセスコストを増加させることなく実現される。
Furthermore, an insulating
なお、集積される電界効果トランジスタとして、上述ではMESFET型について説明しているが、MOSFET型でもよいのは言うまでもない。また、例えば、エンハンスメント型とディプレッション型とからなる閾値電圧の異なる電界効果トランジスタを集積しても良い。 As the integrated field effect transistor, the MESFET type has been described above, but it goes without saying that it may be a MOSFET type. In addition, for example, field effect transistors having different threshold voltages, which are an enhancement type and a depletion type, may be integrated.
以上により、本発明の第2の実施の形態の半導体装置及びその製造方法によれば、電界効果トランジスタと高誘電体容量素子と窒化物容量素子とが集積化されているため、バイパスコンデンサ等に用いられる大容量の容量素子と整合回路等に用いられる高精度で小容量の容量素子とを含んだGaAsMMICを実現することが出来る。 As described above, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention, the field effect transistor, the high dielectric capacitor element, and the nitride capacitor element are integrated. A GaAs MMIC including a large-capacity capacitive element used and a high-accuracy small-capacitance capacitive element used in a matching circuit or the like can be realized.
本発明は、半導体装置およびその製造方法に適用でき、特に、半絶縁性のGaAsよりなる半導体基板上に形成される大容量の容量素子と小容量の容量素子と抵抗素子とを集積化させたGaAsIPDや、半絶縁性のGaAsよりなる半導体基板上に形成される電界効果トランジスタと大容量の容量素子と小容量の容量素子と抵抗素子とを集積化させたGaAsMMICに適用できる。また、本発明はGaAsIPDやGaAsMMICを用いる通信機器に適用でき、特に、携帯電話端末等のパワーアンプおよびスイッチ等に適用することが出来る。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and in particular, a large-capacity capacitive element, a small-capacitance capacitive element, and a resistive element formed on a semiconductor substrate made of semi-insulating GaAs are integrated. The present invention can be applied to a GaAs MMIC in which a field effect transistor formed on a semiconductor substrate made of semi-insulating GaAs, a large-capacity capacitive element, a small-capacitance capacitive element, and a resistive element are integrated. Further, the present invention can be applied to communication equipment using GaAsIPD or GaAsMMIC, and in particular, can be applied to power amplifiers and switches for mobile phone terminals and the like.
20 高誘電体容量素子部
30 抵抗素子部
40 窒化物容量素子部
50 電界効果トランジスタ部
100 半導体装置
101 半導体基板
102 絶縁層
103 積層金属層
1031 最下金属層
1032 金属層
1033 金属層
1034 最上金属層
104 高誘電体層
105 金属材料層
106 絶縁層
107 金属材料層
108 絶縁層
109 絶縁層
110 積層金属層
111 絶縁層
112 金属材料層
208 素子分離領域
DESCRIPTION OF
Claims (20)
半導体基板上に形成される第1の絶縁層と、
前記第1の容量素子の一方の電極として、前記第1の絶縁層上に形成された複数の金属層からなる第1の積層金属層と、
前記第1の積層金属層上に形成された高誘電体層と、
前記第1の容量素子の他方の電極として、前記高誘電体層上に形成された複数の金属層からなる第2の積層金属層と、
前記第2の容量素子の一方の電極として、前記第1の絶縁層上に形成された複数の金属層からなる第3の積層金属層と、
前記第1の積層金属層上に形成された第2の絶縁層と、
前記第2の容量素子の他方の電極として、前記第2の絶縁層上に形成された複数の金属層からなる第4の積層金属層と、
前記第1の絶縁層上に形成された複数の金属層からなる第5および第6の積層金属層と、
前記第1の絶縁層上に、前記第5の積層金属層と前記第6の積層金属層との間に形成された第1の金属材料からなる抵抗体とを備え、
前記第1、第3、第5および第6の積層金属層は、同じ材料でかつ同じ層に島状に形成され、前記第5の積層金属層は前記抵抗体の一端に接し、前記第6の積層金属層は前記抵抗体の他端と接している
ことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising first and second capacitive elements and a resistive element,
A first insulating layer formed on a semiconductor substrate;
A first laminated metal layer comprising a plurality of metal layers formed on the first insulating layer as one electrode of the first capacitive element;
A high dielectric layer formed on the first laminated metal layer;
A second laminated metal layer comprising a plurality of metal layers formed on the high dielectric layer as the other electrode of the first capacitive element;
A third laminated metal layer comprising a plurality of metal layers formed on the first insulating layer as one electrode of the second capacitive element;
A second insulating layer formed on the first laminated metal layer;
A fourth laminated metal layer composed of a plurality of metal layers formed on the second insulating layer as the other electrode of the second capacitive element;
Fifth and sixth laminated metal layers comprising a plurality of metal layers formed on the first insulating layer;
A resistor made of a first metal material formed between the fifth laminated metal layer and the sixth laminated metal layer on the first insulating layer;
The first, third, fifth and sixth laminated metal layers are formed of the same material and in the same layer in an island shape, the fifth laminated metal layer is in contact with one end of the resistor, and the sixth The laminated metal layer is in contact with the other end of the resistor.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein an uppermost metal layer of the first, third, fifth, and sixth stacked metal layers is made of Pt.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a lowermost metal layer of the first, third, fifth, and sixth laminated metal layers is made of Ti.
ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The said 1st, 3rd, 5th and 6th laminated metal layer contains the intermediate | middle metal layer which consists of Al between the uppermost metal layer and the lowermost metal layer. Semiconductor device.
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 The first, third, fifth and sixth laminated metal layers further include a metal layer made of Ti between the intermediate metal layer and the uppermost metal layer. The semiconductor device described.
前記トランジスタ素子は、前記第1の絶縁層を除去された領域における前記半導体基板上に形成された第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層を貫通し、前記トランジスタ素子の電極として形成された複数の金属層からなる第7の積層金属層とを有し、
前記第7の積層金属層は、前記第4の積層金属層と同じ材料で形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device further includes a transistor element,
The transistor element includes a third insulating layer formed on the semiconductor substrate in a region where the first insulating layer is removed;
A seventh laminated metal layer comprising a plurality of metal layers penetrating the third insulating layer and formed as electrodes of the transistor element;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the seventh laminated metal layer is formed of the same material as the fourth laminated metal layer.
前記第4の絶縁層は、前記第2の絶縁層と同じ材料でかつ同じ層で形成される
ことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。 The third insulating layer has the fourth insulating layer formed in a portion penetrating the seventh laminated metal layer,
The semiconductor device according to claim 6, wherein the fourth insulating layer is formed of the same material and the same layer as the second insulating layer.
ことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6, wherein the semiconductor element includes two field effect transistors having different threshold voltages.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is made of GaAs or InP.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the first insulating layer is made of SiO 2 .
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the high dielectric layer is made of a high dielectric oxide having a perovskite structure typified by SrTiO 3 .
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the second insulating layer is made of SiN.
ことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6, wherein the third insulating layer material is composed of SiN, SiO 2 , or a stack of SiN and SiO 2 .
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the second laminated metal layer includes Pt, WSi, or WSiN.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the resistor made of the first metal material includes WSiN, WSi, or W. 3.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The fourth laminated metal layer is formed from a metal layer laminated on Ti, Al, Ti, WSi, Al, Ti, or WSiN, Ti, Al, Ti, or W, Ti, Al, Ti from the semiconductor substrate side. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
半導体基板上に第1の絶縁層を形成する第1の工程と、
前記第1、第3、第5および第6の積層金属層を形成する第2の工程と、
前記第1の積層金属層上に高誘電体層を形成する第3の工程と、
前記高誘電体層上に第2の積層金属層を形成する第4の工程と、
前記第1の絶縁層上で、かつ前記第5の積層金属層と前記第6の積層金属層との間に、前記第5の積層金属層と前記第6の積層金属層と接するように第1の金属材料からなる抵抗体を形成する第5の工程と、
前記第3の積層金属層上に前記第2の絶縁層を形成する第6の工程と、
前記第2の絶縁層上に前記第4の積層金属層を形成する第7の工程と
を備える
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 according to claim 1,
A first step of forming a first insulating layer on a semiconductor substrate;
A second step of forming the first, third, fifth and sixth laminated metal layers;
A third step of forming a high dielectric layer on the first laminated metal layer;
A fourth step of forming a second laminated metal layer on the high dielectric layer;
On the first insulating layer and between the fifth stacked metal layer and the sixth stacked metal layer, the fifth stacked metal layer and the sixth stacked metal layer are in contact with each other. A fifth step of forming a resistor made of one metal material;
A sixth step of forming the second insulating layer on the third laminated metal layer;
And a seventh step of forming the fourth laminated metal layer on the second insulating layer. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第4の絶縁層に前記第1、第2、第3、第5および第6の積層金属層に達する開口それぞれを同時に形成する開口工程と
を含む
ことを特徴とする請求項17に記載の半導体装置の製造方法。 In the semiconductor device, a fourth insulating layer is further formed on the first, second, third, fifth and sixth laminated metal layers between the fifth step and the sixth step. An insulating layer forming step,
The opening process which forms simultaneously each opening which reaches the 1st, 2nd, 3rd, 5th, and 6th laminated metal layers in the 4th insulating layer. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記トランジスタ素子は、前記第1の絶縁層を除去された領域における前記半導体基板上に形成された第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層を貫通し、前記トランジスタ素子の電極として形成された複数の金属層からなる第7の積層金属層とを有し、
前記第7の積層金属層は、前記第4の積層金属層と同じ材料でかつ同じ層で形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置であって、
前記半導体装置の製造方法は、前記第5の工程と前記第6の工程の間に、さらに、前記第1の絶縁層の一部を除去する工程と、
前記第1絶縁層が除去された半導体基板上に前記第3の絶縁層と、前記第1、第2、第3、第5および第6の積層金属層上に前記第4の絶縁層とを同時に同材料で形成する絶縁層形成工程と、
前記第3の絶縁層を開口する工程を含む前記開口工程と、
前記第3の絶縁層の開口に前記第4の積層金属層を形成する工程を含む前記第7の工程と
を備えることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置の製造方法。 The semiconductor device further includes a transistor element,
The transistor element includes a third insulating layer formed on the semiconductor substrate in a region where the first insulating layer is removed;
A seventh laminated metal layer comprising a plurality of metal layers penetrating the third insulating layer and formed as electrodes of the transistor element;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the seventh multilayer metal layer is formed of the same material and the same layer as the fourth multilayer metal layer.
The method for manufacturing a semiconductor device further includes a step of removing a part of the first insulating layer between the fifth step and the sixth step.
The third insulating layer on the semiconductor substrate from which the first insulating layer has been removed, and the fourth insulating layer on the first, second, third, fifth and sixth laminated metal layers. An insulating layer forming step of simultaneously forming the same material;
The opening step including the step of opening the third insulating layer;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 17, further comprising: a seventh step including a step of forming the fourth laminated metal layer in an opening of the third insulating layer.
ことを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18, wherein, in the sixth step, the second insulating layer is further formed on a sidewall of the opening of the third insulating layer.
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|---|---|---|---|---|
| JP2011165997A (en) * | 2010-02-12 | 2011-08-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Compound semiconductor device |
| CN113437136A (en) * | 2021-06-28 | 2021-09-24 | 深圳市时代速信科技有限公司 | Semiconductor device and preparation method thereof |
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2006
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