JP2009253052A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンタクトプラグの凸形状部の電界集中による絶縁破壊を抑制したＶｉａパターンを有する半導体装置を提供する。
【解決手段】 第一の配線層１及び第一の絶縁層２上に形成された層間絶縁膜３と、層間絶縁膜３内に第一の配線層１との接続部から上方にいくにつれて断面形状が大きくなるように形成された接続孔４と、接続孔４の側壁全面に所定の深さから上方にいくにつれて膜厚が大きくなるように連続的にスペーサ膜５と、スペーサ膜５の内側に第一の配線層１と電気的に接続されるコンタクトプラグ７と、コンタクトプラグ７上に形成され、コンタクトプラグと電気的に接続された第二の配線層８と、第二の絶縁層９とを有する半導体装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。

多層配線形成のＶｉａパターンの製造方法において、コンタクトプラグに使用する導電物のコンタクト孔内への埋め込み特性を向上させるために、コンタクト孔の側壁に下層との接続部の径が小さくなるように傾斜を付けることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、コンタクトプラグの形状が上層の隣接配線に対して凸形状であるため、この凸形状部に電界の集中が起こってしまう。コンタクトと上層配線を別々に形成する場合、リソグラフィの合わせズレ等の影響によって局所的にコンタクトプラグのトップ部と隣接上層配線の距離が非常に近くなってしまう恐れがあり、上層配線と、電界が集中したコンタクトプラグトップ部の凸形状部との間での絶縁破壊が懸念されている。

この問題に対してコンタクト孔の形状を所定の深さから上方に行くにしたがって断面形状が小さくなるような構造を形成し、コンタクトプラグの凸形状部をコンタクトプラグのトップ部よりも下に配置することによって、上層配線との距離をとり、絶縁破壊を回避する提案がなされている（例えば、特許文献２参照。）。

しかし、この構造では、コンタクトプラグの凸形状部付近に絶縁膜の界面が存在しているため、上層の隣接配線との距離が短くなる微細なパターンにおいて耐圧特性が不十分であり、コンタクトプラグの凸形状部の電界集中によって、リーク電流が発生する恐れがあるという問題がある。
特開平４−５６２７７ 特開２００６−７３６３５

本発明は、コンタクトプラグの凸形状部の電界集中によるリーク電流を抑制した半導体装置及びその製造方法を提供する。

本発明の一態様による半導体装置は、第一の配線層と第一の絶縁層からなる第一の被接続層と、前記第一の被接続層上に形成され、前記第一の配線層上に対応する位置に第一の配線層との接続部から上方にいくにつれて断面形状が大きくなるように形成された接続孔を有する層間絶縁膜と、前記接続孔の側壁全面に所定の深さから上方にいくにつれて膜厚が大きくなるように連続的に形成されたスペーサ膜と、前記第一の配線層と電気的に接続され、前記接続孔内に前記スペーサ膜を介して形成されたコンタクトプラグと、前記層間絶縁膜、前記スペーサ膜及び前記コンタクトプラグ上に形成され、前記コンタクトプラグと電気的に接続された第二の配線層と、第二の絶縁層からなる第二の被接続層とを備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様による半導体装置の製造方法は、第一の配線層と第一の絶縁層からなる第一の被接続層上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜を加工し、前記第一の配線層上に対応する位置に第一の配線層との接続部から上方にいくにつれて断面積が大きくなるように接続孔を形成する工程と、前記接続孔の側壁全面に所定の深さから上方にいくにつれて膜厚が大きくなるように連続的にスペーサ膜を形成する工程と、前記接続孔内に電極金属を埋め込みコンタクトプラグを形成する工程と、前記層間絶縁膜、前記スペーサ膜及び前記コンタクトプラグ上に第二の配線層と第二の絶縁層からなる第二の被接続層を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、コンタクトプラグの凸形状部の電界集中による絶縁破壊を抑制した半導体装置及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態の一態様に係る半導体装置の配線層の断面図である。図においては、隣接する複数のうち２つのコンタクトプラグのみを示している。

下層配線層１及び下層絶縁層２上には層間絶縁膜３が形成されており、層間絶縁膜３内には下層配線層１と上層配線層８とを電気的に接続するコンタクトプラグ７を形成するためのコンタクト孔４が設けられている。コンタクト孔４の側壁上にはスペーサ膜５が形成されており、所定の深さから上方にいくにつれて基板方向と垂直方向の膜厚が大きくなるような構造を有している。スペーサ膜５の内側には密着層６が形成されており、コンタクト孔４の内部にはスペーサ膜５及び密着層６を介してコンタクトプラグ７が形成されている。コンタクト孔４はプラグに使用する導電物のコンタクト孔４内への埋め込み特性を向上させるためには下層配線層１との接続部から上方にいくにつれて断面形状が大きくなるような傾斜を有しており、コンタクト孔４のトップ部の断面形状が最も大きくなるように形成されている。本実施形態では、コンタクトプラグ７の凸形状部が連続したスペーサ膜５で覆われているため、絶縁層界面において発生するリーク電流を抑制することができる。

スペーサ膜５の形状はプラズマＣＶＤによる成膜条件を調整することによって変化させることができるため、スペーサ膜５の膜厚増加形状は図２に示したように下に凸の形状（ａ）でも上に凸の形状（ｂ）でもどちらでも構わない。

下層配線層１及び上層配線層８は、例えば、銅またはアルミニウム等からなり、銅を用いる場合は銅の拡散を防止するために配線層の周囲にバリアメタルとしてタンタルナイトライド等を形成しておくことが望ましい。下層絶縁膜２、層間絶縁膜３及び上層絶縁膜９は、例えば、シリコン酸化膜等からなり、スペーサ膜５は、例えば、シリコン窒化膜またはシリコン酸化膜等からなる。また、スペーサ膜５にシリコン酸化膜等よりも誘電率の高い膜、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣ膜等を用いると、コンタクトプラグ７間の電界を緩和することができ、絶縁耐性が向上するため望ましい。密着層６は、例えば、チタンナイトライド等からなり、コンタクトプラグ７は、例えば、タングステン等からなる。

図３は絶縁性を保つために必要な耐圧特性の理論値と、実際の装置における耐圧特性の値について、コンタクトプラグ７の凸形状部と上層電極層８との間の距離と電界との関係を示したグラフである。横軸はコンタクトプラグ７の凸形状部と上層電極層８との距離を示しており、縦軸は電界を示している。図３に示すように、コンタクトプラグ７の凸形状部と上層電極層８の距離が１０ｎｍ以下の場合は、実際の装置における耐圧特性が絶縁性を保つために必要な耐圧特性を下回ってしまうことが分かる。しかし、本実施形態では、スペーサ膜５はコンタクト孔４の所定の深さから上方にいくにつれてコンタクトプラグ７の断面積が小さくなるような傾斜を有しているため、コンタクトプラグ７の凸形状部と上層配線層８との距離を広げることができるため、リーク電流を抑制することができる。

図４及び図５は本発明の実施形態の一態様に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。図４及び図５を参照して本発明の実施形態の一態様に係る半導体装置の製造方法を説明する。

はじめに、図４（ａ）に示すように、下層配線層１及び下層絶縁層２上に、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を用いて層間絶縁膜３を形成する。続いて、層間絶縁膜３上にレジストを塗布し、リソグラフィ法を用いてコンタクト孔４を形成する部分上のレジストを除去する。残ったレジストをマスクとしてＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によってコンタクト孔４を形成した後、マスクのレジストを除去する。

次に、図４（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によってシリコン窒化膜からなるスペーサ膜５をコンタクト孔４の内壁及び層間絶縁膜３上に形成する。スペーサ膜５は、コンタクト孔４の径を小さくし、リソグラフィの解像限界以下のＶｉａパターンを形成するために形成される。スペーサ膜５をプラズマＣＶＤ法により形成することによって、コンタクト孔４の所定の深さから上方にいくにつれてスペーサ膜５の膜厚が大きくなるように形成することができ、図４（ｂ）に示したような、コンタクト孔４のトップ部付近にスペーサ膜５が迫り出した構造を形成することができる。コンタクト孔４のトップ付近のスペーサ膜５の膜厚及び膜の形状は、プラズマＣＶＤによる成膜条件を調整することによって変化させることができる。また、プラズマＣＶＤによってスペーサ膜５の成膜を行うと、コンタクト孔４内部への埋め込み特性が低いため、コンタクト孔４の下部や層のスペーサ膜を薄く形成することができる。したがって、下層配線層１とコンタクト孔４との接続部の面積を十分確保することができ、特に、スペーサ膜５の成膜条件を調整することによって、下層配線層１とコンタクト孔４との接続部の面積がコンタクト孔４トップ部のスペーサ膜の開口形状よりも大きくなるように形成すると、上層配線層８との距離を広げるとともに下層配線層１との接触部の抵抗上昇を抑えることができるため望ましい。

次いで、図４（ｃ）に示すように、コンタクト孔４の底の部分、すなわち下層配線層１との接続部のスペーサ膜５をＲＩＥ法によって除去する。この時、コンタクト孔４の底の断面積よりもコンタクト孔４のトップ部の開口面積が小さい場合でも、コンタクト孔４の内壁及び底面のスペーサ膜５の膜厚が小さいため比較的容易に除去することができ、下層配線層１との接触面積を確保することができる。

続いて、図５（ａ）に示すように、ＣＶＤ法等を用いてスペーサ膜５の内側及び上面とコンタクト孔４の底部と接続された下層配線層１上にチタンナイトライド膜からなる密着層６を形成した後、ＣＶＤ法等を用いて密着層６の内側及び上部にタングステン膜からなるコンタクトプラグ７を形成する。このコンタクトプラグ７を形成する際に、スペーサ膜５がコンタクト孔４のトップ部付近において迫り出している部分の膜厚が大きすぎると、コンタクト孔４内にコンタクトプラグ７を形成する際にコンタクトプラグ７内に大きな埋め込みボイドが形成されてしまうため、スペーサ膜の迫り出している部分の膜厚はコンタクト孔４の高さの半分以下とすることが望ましい。

次に、図５（ｂ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法等を用いて平坦化を行い、コンタクト孔４の外部に形成された、密着層６及びタングステン膜７を除去する。この時、少なくともスペーサ膜５の膜厚が最も大きい部分までＣＭＰにより研磨を行うことによって、所定の深さから上方にいくにつれてコンタクトプラグ７の断面積が小さくなるような構造を形成することができる。

続いて、図５（ｃ）に示すように、層間絶縁膜３、スペーサ膜５、密着層６及びコンタクトプラグ７上に上層絶縁膜９を形成し、上層絶縁膜９上にレジストを塗布し、リソグラフィ法を用いてレジストを部分的に除去する。そのレジストをマスクとしてＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によって開口部を形成した後、レジストを除去する。その開口部に上層配線層８を形成することにより、図１に示したコンタクト構造を形成することができる。

本実施形態によれば、次のような効果が得られる。すなわち、コンタクトプラグ７の周囲が連続したスペーサ膜５で覆われているため、コンタクトプラグ７の凸形状部の電界集中に対して絶縁層界面において発生する絶縁破壊を回避することができる。また、スペーサ膜５を形成することによって、リソグラフィの解像限界以下のＶｉａパターンを形成することができるとともに、コンタクトプラグ７が上層配線層８に対して凸形状となっている部分が、スペーサ膜の迫り出した部分によって下方に移動しているため、凸形状部と上層配線層８との距離を広げ、リーク電流を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。

本発明の実施形態の一態様に係る半導体装置を示した断面図である。 本発明の実施形態の一態様に係るスペーサ膜を示した断面図である。 コンタクトプラグの凸形状部と上層電極層との間の距離と電界との関係を示したグラフである。 本発明の実施形態の一態様に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 本発明の実施形態の一態様に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。

符号の説明

１ 下層配線層
２ 下層絶縁膜
３ 層間絶縁膜
４ コンタクト孔
５ スペーサ膜
６ 密着層
７ コンタクトプラグ
８ 上層配線層
９ 上層絶縁層

Claims (6)

1. 第一の配線層と第一の絶縁層からなる第一の被接続層と、
   前記第一の被接続層上に形成され、前記第一の配線層上に第一の配線層との接続部から上方にいくにつれて開口面積が大きくなるように形成された接続孔を有する層間絶縁膜と、
   前記接続孔の側壁上に所定の深さから上方にいくにつれて膜厚が大きくなるように形成されたスペーサ膜と、
   前記第一の配線層と電気的に接続され、前記接続孔内に形成されたコンタクトプラグと、
   前記層間絶縁膜、前記スペーサ膜及び前記コンタクトプラグ上に形成され、前記コンタクトプラグと電気的に接続された第二の配線層と、第二の絶縁層からなる第二の被接続層と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記所定の深さは、前記接続孔の高さの半分以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記スペーサ膜の誘電率は、前記層間絶縁膜の誘電率よりも高いことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記コンタクトプラグと前記第一の配線層との接続部の断面形状は、前記コンタクトプラグと前記第二の配線層との接続部の断面形状よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 第一の配線層と第一の絶縁層からなる第一の被接続層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
   前記層間絶縁膜を加工し、前記第一の配線層上に第一の配線層との接続部から上方にいくにつれて断面積が大きくなるように接続孔を形成する工程と、
   前記接続孔の側壁上に所定の深さから上方にいくにつれて膜厚が大きくなるように連続的にスペーサ膜を形成する工程と、
   前記接続孔内に電極金属を埋め込みコンタクトプラグを形成する工程と、
   前記層間絶縁膜、前記スペーサ膜及び前記コンタクトプラグ上に第二の配線層と第二の絶縁層からなる第二の被接続層を形成する工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記スペーサ膜は、プラズマＣＶＤにより形成されることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。

Images