JP2009117722A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】素子分離絶縁膜上に形成されたキャパシタを有する半導体装置において、寄生容量を抑制すること。
【解決手段】本発明は半導体基板10に設けられた素子分離絶縁膜12と、素子分離絶縁膜上に設けられた導電層22と、導電層を覆うように設けられた層間絶縁膜30と、層間絶縁膜内であって導電層上に接触して設けられた金属からなる下層電極42と、層間絶縁膜内であって下層電極上に設けられた誘電体層49と、層間絶縁膜内であって誘電体層上に設けられた金属からなる上層電極52と、を具備する半導体装置およびその製造方法である。
【選択図】図4

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、キャパシタを有する半導体装置およびその製造方法に関する。
半導体基板上にキャパシタとトランジスタとが集積化された半導体装置は、例えばアナログ回路、アナログデジタル混載回路を実現するために用いられる。このような回路においては、キャパシタの容量値が重要である。キャパシタの容量値の電圧依存性を抑制するため、金属からなる下層電極、誘電体層および金属からなる上層電極から構成されるMIM(金属、絶縁体、金属)キャパシタが用いられる。特許文献1には、製造工程を削減するため、MIMキャパシタの下層電極をトランジスタと接続するプラグ電極と同時に形成する技術が開示されている。
特開2000−188375号公報
下層電極と半導体基板との絶縁性を高めるため、MIMキャパシタは素子分離絶縁膜上に形成される。特許文献1によれば、特許文献1の図1(b)のように、層間絶縁膜をエッチングする際、素子分離絶縁膜も削れてしまう。MIMキャパシタ下の素子分離絶縁膜が薄くなると、寄生容量が増大する。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、素子分離絶縁膜上に形成されたキャパシタを有する半導体装置において、寄生容量を抑制することを目的とする。
本発明は、半導体基板に設けられた素子分離絶縁膜と、前記素子分離絶縁膜上に設けられた導電層と、前記導電層を覆うように設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内であって前記導電層上に接触して設けられた金属からなる下層電極と、前記層間絶縁膜内であって前記下層電極上に設けられた誘電体層と、前記層間絶縁膜内であって前記誘電体層上に設けられた金属からなる上層電極と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、素子分離絶縁膜上に導電層を介して下層電極を設けることにより、製造工程において、素子分離絶縁膜がエッチングされることを抑制することができる。よって、寄生容量を削減することができる。
上記構成において、前記半導体基板に形成され、ゲート電極を有するトランジスタを具備し、前記導電層は、前記ゲート電極と同じ材料からなる構成とすることができる。この構成によれば、製造工程を削減することができる。
上記構成において、前記層間絶縁膜を貫通し、前記トランジスタに接続するプラグ電極を具備し、前記下層電極は、前記プラグ電極と同じ材料からなる構成とすることができる。この構成によれば、製造工程を削減することができる。
上記構成において、前記半導体基板に形成され、制御ゲート電極、分離絶縁膜および浮遊ゲート電極からなる積層を有するトランジスタを具備し、前記導電層は、浮遊ゲート電極と同じ材料からなる第1層、および制御ゲート電極と同じ材料からなる第2層を含む構成とすることができる。この構成によれば、上層電極の膜厚を薄くすることができ、製造工程のコストを削減することができる。
上記構成において、前記第1層と前記第2層との間に、前記分離絶縁膜と同じ材料からなる第3層を有する構成とすることができる。この構成によれば、製造工程を削減することができる。
上記構成において、前記第2層に接続するプラグ金属を具備し、前記第1層は前記第2層上に直接設けられ、前記下層電極は前記第1層上に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、プラグ金属を容易に形成することができる。
上記構成において、前記半導体基板に形成され、制御ゲート電極、分離絶縁膜および浮遊ゲート電極からなる積層を有するトランジスタを具備し、前記導電層は、制御ゲート電極と同じ材料からなる構成とすることができる。
上記構成において、前記上層電極と前記層間絶縁膜とは上面が平坦である構成とすることができる。この構成によれば、配線層を容易に形成することができる。
本発明は、半導体基板に素子分離絶縁膜を形成する工程と、前記素子分離絶縁膜上に導電層を形成する工程と、前記導電層を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜の前記導電層上に開口部を形成する工程と、前記開口部内の前記導電層上に接触して金属からなる下層電極を形成する工程と、前記開口部内の前記下層電極上に誘電体層を形成する工程と、前記開口部内の前記誘電体層上に金属からなる上層電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、層間絶縁膜の開口部を導電層上に形成することにより、素子分離絶縁膜がエッチングされることを抑制することができる。よって、寄生容量を削減することができる。
上記構成において、前記導電層を形成する工程は、前記半導体基板上にトランジスタのゲート電極を形成する工程と同時に行われる構成とすることができる。この構成によれば、製造工程を削減することができる。
上記構成において、前記下層電極を形成する工程は、前記トランジスタに接続するプラグ電極を形成する工程と同時に行われる構成とすることができる。この構成によれば、製造工程を削減することができる。
上記構成において、前記導電層を形成する工程は、前記半導体基板上にトランジスタの制御ゲート電極および浮遊ゲート電極を形成する工程と同時に行われる構成とすることができる。この構成によれば、上層電極の膜厚を薄くすることができ、製造工程のコストを削減することができる。
上記構成において、前記導電層を形成する工程は、前記半導体基板上にトランジスタの制御ゲート電極、分離絶縁層および浮遊ゲート電極を形成する工程と同時に行われる構成とすることができる。この構成によれば、製造工程を削減することができる。
上記構成において、前記第2層に接続するプラグ金属を形成する工程を有し、前記第1層は前記第2層上に直接設けられ、前記下層電極は前記第1層上に形成されている構成とすることができる。この構成によれば、プラグ金属を容易に形成することができる。
上記構成において、前記導電層を形成する工程は、前記半導体基板上にトランジスタの制御ゲート電極を形成する工程と同時に行われる構成とすることができる。
本発明によれば、素子分離絶縁膜上に導電層を介して下層電極を設けることにより、製造工程において、素子分離絶縁膜がエッチングされることを抑制することができる。よって、寄生容量を削減することができる。
以下、図面を参照に、本発明の実施例について説明する。
図1(a)から図4(c)を用い、実施例1に係る半導体装置の製造方法について説明する。図1(a)から図4(c)において、右側はキャパシタを形成すべきキャパシタ領域100、左側はトランジスタを形成すべきトランジスタ領域102を示している。
図1(a)を参照に、p型シリコン半導体基板(または半導体基板内のp型領域)10に、酸化シリコン膜からなる素子分離絶縁膜12を形成する。素子分離絶縁膜12は、STI(Shallow Trench Isoration)法またはLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法を用い形成することができる。図1(b)を参照に、トランジスタ領域102の半導体基板10上に酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜18を形成する。キャパシタ領域100の素子分離絶縁膜12上に、トランジスタ領域102の半導体基板10上にゲート絶縁膜18を介し、膜厚が例えば300nmの導電性ポリシリコン層を形成する。導電性ポリシリコン層をキャパシタ領域100内およびトランジスタ領域102に残存するようにエッチングする。これにより、キャパシタ領域100内の素子分離絶縁膜12上に導電層22が形成される。また、トランジスタ領域102内の半導体基板10上にゲート絶縁膜18を介しゲート電極24が形成される。図1(c)を参照に、ゲート電極24をマスクに、トランジスタ領域102内の半導体基板10内にイオン注入法を用いn型のソース領域およびドレイン領域となる拡散領域14を形成する。図1(d)を参照に、導電層22およびゲート電極24の側面にそれぞれ絶縁体からなる側壁26および28を形成する。
図2(a)を参照に、半導体基板10上に酸化シリコンを主材料とする膜厚が例えば600nmの層間絶縁膜30を形成する。これにより、導電層22を覆うように層間絶縁膜30が形成される。層間絶縁膜30をエッチングし、導電層22上にキャパシタを形成すべき開口部32、導電層22上にコンタクトホール34、半導体基板10上にコンタクトホール36を形成する。図2(b)を参照に、開口部32の内面を覆い、コンタクトホール34、36を埋め込むように、層間絶縁膜30上にタングステンからなり膜厚が約100nmの金属層40を形成する。図2(c)を参照に、層間絶縁膜30上の金属層40をCMP(Chemical Mechanical Polish)法を用い層間絶縁膜30の上面が露出するまで研磨する。これにより、開口部32内に下層電極42、コンタクトホール34および36内にプラグ金属44および46が形成される。プラグ金属44は導電層22と電気的にオーミック接続する。また、プラグ金属46はトランジスタの拡散領域14に電気的に接続する。
図3(a)を参照に、層間絶縁膜30上および下層電極42を覆うように、例えば酸化シリコン膜からなる誘電体層49を形成する。誘電体層49は、窒化シリコン膜等でもよい。図3(b)を参照に、誘電体層49上にタングステンからなる金属層50を形成する。図3(c)を参照に、金属層50を誘電体層49の上面が露出するまで、CMP法を用い研磨する。これにより、開口部32内に、下層電極42、誘電体層49および上層電極52からなるキャパシタが形成される。
図4(a)を参照に、プラグ金属44および46上の誘電体層49をエッチングし除去する。図4(b)を参照に、誘電体層49上全面にアルミニウムからなる金属層56をスパッタリング法を用い形成する。図4(c)を参照に、金属層56の所定領域をエッチングにより除去する。これにより、上層電極52、プラグ金属44および46にそれぞれ接続される配線層58が形成される。その後、さらに上部配線等を形成することにより、実施例1に係る半導体装置が完成する。
実施例1によれば、図4(c)のように、素子分離絶縁膜12上に導電層22が設けられている。層間絶縁膜30内であって導電層22上に接触して金属からなる下層電極42が設けられている。層間絶縁膜30内であって下層電極42上に誘電体層49が設けられている。層間絶縁膜30内であって誘電体層49上に金属からなる上層電極52が設けられている。このように、素子分離絶縁膜12上に導電層22を介してMIMキャパシタが設けられることにより、図2(a)において、層間絶縁膜30に開口部32およびコンタクトホール34、36を形成する際に、素子分離絶縁膜12がエッチングされることを抑制することができる。よって、キャパシタの寄生容量を削減することができる。特に、素子分離絶縁膜12および層間絶縁膜30がともに酸化シリコン膜から構成される場合、導電層22を設けないと、素子分離絶縁膜12がエッチングされやすい。よって、実施例1を用いることが有効である。
また、図1(b)のように、導電層22を形成する工程は、半導体基板10上にゲート絶縁膜18を介しトランジスタのゲート電極24を形成する工程と同時に行われる。つまり、導電層22は、ゲート電極24と同じ材料からなる。これにより、導電層22を形成する工程をゲート電極24を形成する工程とは別に行うのに比べ製造工程を削減することができる。
さらに、図2(b)および図2(c)のように、下層電極42を形成する工程は、トランジスタに接続するプラグ金属46を形成する工程と同時に行われる。つまり、下層電極42は、プラグ金属46と同じ材料からなる。これにより、下層電極42を形成する工程をプラグ金属46を形成する工程とは別に行うのに比べ製造工程を削減することができる。
実施例2は、導電層をフラッシュメモリのゲート積層で構成する例である。図5(a)から図6(d)を用い実施例2に係る半導体装置の製造方法について説明する。図5(a)から図6(d)において、右側はキャパシタを形成すべきキャパシタ領域100、中央はメモリセルを形成すべきメモリセル領域104、左側は周辺回路を形成すべき周辺領域106である。
図5(a)を参照に、実施例1の図1(a)と同様に、半導体基板10に素子分離絶縁膜12を形成する。キャパシタ領域100においては、素子分離絶縁膜12上に、メモリセル領域104においては、半導体基板10上に酸化シリコン膜からなるトンネル絶縁膜71を介し、膜厚が約90nmの導電性ポリシリコン層61を形成する。図5(b)を参照に、メモリセル領域104およびキャパシタ領域100のポリシリコン層61上に分離絶縁膜を形成する。メモリセル領域104およびキャパシタ領域100においては、ポリシリコン層61上に、周辺領域106においては、ゲート絶縁膜18を介し、膜厚が約300nmのポリシリコン層を形成する。ポリシリコン層および分離絶縁層をエッチングするする。これにより、キャパシタ領域100においては、素子分離絶縁膜12上に、順に第1層62、第3層64および第2層66からなる第2積層60が形成される。メモリセル領域104においては、半導体基板10上にトンネル絶縁膜71を介し、順に浮遊ゲート電極72、分離絶縁膜74および制御ゲート電極76からなる第1積層70が形成される。周辺領域106においては、半導体基板10上にゲート絶縁膜18を介しゲート電極78が形成される。ゲート電極78および第1積層70をマスクに半導体基板10内に、ソース領域およびドレイン領域であるn型拡散領域15および14を形成する。図5(c)を参照に、ゲート電極78、第1積層70および第2積層60の側面に、それぞれ絶縁体からなる側壁79、77、および67を形成する。
図6(a)を参照に、実施例1の図2(a)と同様に、層間絶縁膜30を形成する。層間絶縁膜30に開口部32、コンタクトホール34、36および38を形成する。図6(b)を参照に、実施例1の図2(b)と同様に、開口部32の内面を覆い、コンタクトホール34、36および38を埋め込むように金属層40を形成する。図6(c)を参照に、実施例1の図2(c)から図4(a)と同様の工程を行う。これにより、層間絶縁膜30の開口部32内に下層電極42、誘電体層49および上層電極52が形成される。コンタクトホール34内に第2層66と接続されるプラグ金属44、コンタクトホール36内に拡散領域14と接続されるプラグ金属46、コンタクトホール38内に拡散領域15と接続されるプラグ金属48が形成される。図6(d)を参照に、実施例1の図4(b)および図4(c)の工程を行う。これにより、上層電極52、コンタクトホール34、36および38にそれぞれ接続される配線層58が形成される。
実施例2によれば、図5(a)および図5(b)のように、導電層として第2積層60を形成する工程は、半導体基板10上にメモリセルのトランジスタの浮遊ゲート電極72および制御ゲート電極76を形成する工程と同時に行われる。つまり、導電層である第2積層60は、浮遊ゲート電極72と同じ材料からなる第1層62、および制御ゲート電極76と同じ材料からなる第2層66からなる。これにより、第2積層60の膜厚を厚くすることができる。このため、開口部32の深さを浅くすることができる。よって、上層電極52の膜厚を薄くすることができ、製造工程のコストを削減することができる。
また、実施例2のように、第2積層60は、第1層62と第2層66との間に、分離絶縁膜74と同じ材料からなる第3層64を有することもできる。
実施例3は、第2積層が第3層を有さず、第1層と第2層とが接している例である。図7(a)および図7(b)を用い、実施例3に係る半導体装置の製造方法について説明する。図7(a)を参照に、実施例2の図5(a)から5(c)の工程を行う。このとき、第2積層60aは、第1層62上に第2層66が接するように形成する。その他の工程は実施例2と同じであり説明を省略する。図7(b)を参照に、実施例2の図6(a)から図6(c)と同じ工程を行う。これにより、実施例3に係る半導体装置が完成する。
実施例3によれば、第1層62と第2層66とが接しているため、下層電極42とプラグ金属44との間の抵抗を実施例2より小さくすることができる。
実施例4は、プラグ金属が直接第1層に接続する例である。図8(a)および図8(b)を用い、実施例4に係る半導体装置の製造方法について説明する。図8(a)を参照に、実施例3の図7(a)の工程を行う。このとき、下層電極を形成すべき領域は第2層66bを残存させ、プラグ金属が接続すべき領域は第2層66bを除去するように第2積層60bを形成する。その他の工程は実施例3と同じであり説明を省略する。図8(b)を参照に、実施例3の図7(b)と同じ工程を行う。これにより、実施例4に係る半導体装置が完成する。
実施例4によれば、プラグ金属44は第1層62に直接接続し、第2層66bは第1層62上に直接設けられ、下層電極42は第2層66b上に形成されている。これにより、実施例2および実施例3と同様に、上層電極52の膜厚を薄くすることができる。一方、プラグ金属44の高さは、コンタクトホール形成時のオーバエッチングを一定にするため、プラグ金属46および48と同程度であることが好ましい。実施例4では、プラグ金属44が直接第1層62に接続しているため、実施例2および実施例3に比べ、コンタクトホールを容易に形成することができる。
実施例5は、導電層を制御ゲートと同時に形成する例である。図9(a)および図9(b)を用い、実施例5に係る半導体装置の製造方法について説明する。図9(a)を参照に、実施例2の図5(c)と比較し導電層が第2層66cからなる。その他の構成は実施例2と同じであり説明を省略する。図9(b)を参照に、実施例2の図6(a)から図6(d)と同じ工程を行う。これにより、実施例5に係る半導体装置が完成する。
実施例5のように、導電層を制御ゲート電極76と同じ第2層66cから構成することもできる。
実施例6は配線層をCuダマシン法を用い形成する例である。図10(a)から図11(c)を用い実施例6に係る半導体装置の製造方法を説明する。図10(a)を参照に、実施例1の図1(a)から図3(c)のと同じ工程を行う。誘電体層49および上層電極52上に窒化シリコン膜からなるストッパ層90を形成する。図10(b)を参照に、ストッパ層90上に酸化シリコンを主に含む層間絶縁膜92を形成する。図10(c)を参照に、層間絶縁膜92上に所定のパターンを有するフォトレジスト94を形成する。
図11(a)を参照に、フォトレジスト94をマスクに層間絶縁膜92をエッチングし開口部96を形成する。エッチングはストッパ層90により停止する。図11(b)を参照に、層間絶縁膜92をマスクにストッパ層90および誘電体層49をエッチングする。これにより、上層電極52の一部およびコンタクトホール34、36および38の上面が露出する。図11(c)を参照に、開口部96内に銅からなる配線層98をめっき法を用い形成する。配線層98および層間絶縁膜92をCMP法により研磨し、配線層98および層間絶縁膜92の表面を平坦にする。その後、さらに上層の配線層を形成する。以上により実施例6に係る半導体装置が完成する。
実施例1から実施例5によれば、層間絶縁膜30と上層電極52との上面が平坦である。これにより、配線層を容易に形成することができる。例えば、実施例6のように、配線層をCuダマシン法を用い形成することもできる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
図1(a)から図1(c)は、実施例1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その1)である。 図2(a)から図2(c)は、実施例1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その2)である。 図3(a)から図3(c)は、実施例1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その3)である。 図4(a)から図4(c)は、実施例1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その4)である。 図5(a)から図5(c)は、実施例2に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その1)である。 図6(a)から図6(d)は実施例2に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その2)である。 図7(a)および図7(b)は、実施例3に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図8(a)および図8(b)は、実施例4に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図9(a)および図9(b)は、実施例5に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図10(a)から図10(c)は、実施例6に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その1)である。 図11(a)から図11(c)は、実施例6に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その2)である。
符号の説明
10 半導体基板
12 素子分離絶縁膜
14、15 拡散領域
18 ゲート絶縁膜
22 導電層
24 ゲート電極
30 層間絶縁膜
32 開口部
34、36、38 コンタクトホール
40 金属層
42 下層電極
44、46、48 プラグ金属
49 誘電体層
50 金属層
52 上層電極
60 第2積層
62 第1層
64 第3層
66 第2層
70 第1積層
72 浮遊ゲート電極
74 分離絶縁膜
76 制御ゲート電極

Claims (15)

  1. 半導体基板に設けられた素子分離絶縁膜と、
    前記素子分離絶縁膜上に設けられた導電層と、
    前記導電層を覆うように設けられた層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜内であって前記導電層上に接触して設けられた金属からなる下層電極と、
    前記層間絶縁膜内であって前記下層電極上に設けられた誘電体層と、
    前記層間絶縁膜内であって前記誘電体層上に設けられた金属からなる上層電極と、を具備することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体基板に形成され、ゲート電極を有するトランジスタを具備し、
    前記導電層は、前記ゲート電極と同じ材料からなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記層間絶縁膜を貫通し、前記トランジスタに接続するプラグ電極を具備し、
    前記下層電極は、前記プラグ電極と同じ材料からなることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記半導体基板に形成され、制御ゲート電極、分離絶縁膜および浮遊ゲート電極からなる積層を有するトランジスタを具備し、
    前記導電層は、浮遊ゲート電極と同じ材料からなる第1層、および制御ゲート電極と同じ材料からなる第2層を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  5. 前記第1層と前記第2層との間に、前記分離絶縁膜と同じ材料からなる第3層を有することを特徴とする請求項4記載の半導体装置。
  6. 前記第2層に接続するプラグ金属を具備し、
    前記第1層は前記第2層上に直接設けられ、前記下層電極は前記第1層上に設けられていることを特徴とする請求項4記載の半導体装置。
  7. 前記半導体基板に形成され、制御ゲート電極、分離絶縁膜および浮遊ゲート電極からなる積層を有するトランジスタを具備し、
    前記導電層は、制御ゲート電極と同じ材料からなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  8. 前記上層電極と前記層間絶縁膜とは上面が平坦であることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項記載の半導体装置。
  9. 半導体基板に素子分離絶縁膜を形成する工程と、
    前記素子分離絶縁膜上に導電層を形成する工程と、
    前記導電層を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜の前記導電層上に開口部を形成する工程と、
    前記開口部内の前記導電層上に接触して金属からなる下層電極を形成する工程と、
    前記開口部内の前記下層電極上に誘電体層を形成する工程と、
    前記開口部内の前記誘電体層上に金属からなる上層電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 前記導電層を形成する工程は、前記半導体基板上にトランジスタのゲート電極を形成する工程と同時に行われることを特徴とする請求項8記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記下層電極を形成する工程は、前記トランジスタに接続するプラグ電極を形成する工程と同時に行われることを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記導電層を形成する工程は、前記半導体基板上にトランジスタの制御ゲート電極および浮遊ゲート電極を形成する工程と同時に行われることを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記導電層を形成する工程は、前記半導体基板上にトランジスタの制御ゲート電極、分離絶縁層および浮遊ゲート電極を形成する工程と同時に行われることを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記第2層に接続するプラグ金属を形成する工程を有し、
    前記第1層は前記第2層上に直接設けられ、前記下層電極は前記第1層上に形成されていることを特徴とする請求項12記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記導電層を形成する工程は、前記半導体基板上にトランジスタの制御ゲート電極を形成する工程と同時に行われることを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
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