JP2013187398A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のDRAMとLogic回路を混載した半導体装置の製造方法は、
シリンダー型蓄積容量の表面積を大きくするためにシリンダーのアスペクト比を大きくするとLogic回路のメタル配線層とトランジスタを接続するコンタクトのアスペクト比が大きくなりすぎてLogic回路の速度が低下し、歩留まりも悪化する。
【解決手段】
Logic回路のメタル配線層形成と同時に容量素子形成箇所にダミープラグ層を形成し、このダミープラグ層を除去して形成された凹部に前記容量素子を形成する工程を有するものである。
【選択図】図2
シリンダー型蓄積容量の表面積を大きくするためにシリンダーのアスペクト比を大きくするとLogic回路のメタル配線層とトランジスタを接続するコンタクトのアスペクト比が大きくなりすぎてLogic回路の速度が低下し、歩留まりも悪化する。
【解決手段】
Logic回路のメタル配線層形成と同時に容量素子形成箇所にダミープラグ層を形成し、このダミープラグ層を除去して形成された凹部に前記容量素子を形成する工程を有するものである。
【選択図】図2
Description
本発明は、半導体装置に関し、特にスタック型容量素子を有するCOB(Capacitor Over Bit line)タイプのDRAMとLogic回路を混載した半導体装置に関連する。
DRAMとLogic回路を混載した半導体装置(以下DRAM混載Logicと称する)におけるDRAMの容量素子は一般的にはTrの上に形成される3次元構造をしており、蓄積容量の電極をシリンダー形状で形成するため、シリンダー型蓄積容量と呼ばれる。
このシリンダー型蓄積容量の表面積を大きくするためにはシリンダーのアスペクト比を大きくするのが効果的であるが、通常DRAMのシリンダー型蓄積容量はメタル層などから成る配線層より下側の層に形成されているため、配線層とトランジスタを接続するコンタクトのアスペクト比が大きくなりすぎてLogic回路の速度が低下し、歩留まりも悪化する。
このため、例えば、特開2007−201101号公報(特許文献1)の図16に示すような、配線層が形成される層間絶縁膜にDRAMのシリンダー型容量を埋め込む(形成する)技術が知られている。
前記した特開2007−201101号公報の技術は、同公報の図17に記
載されるように、複数の層間絶縁膜にシリンダー型容量(MIM容量)を埋め込むためにアスペクト比の高い開口部を形成しなければならないため、プロセス世代が進むにつれてこの容量形成のための開口部を精度良く加工することが困難となる。
載されるように、複数の層間絶縁膜にシリンダー型容量(MIM容量)を埋め込むためにアスペクト比の高い開口部を形成しなければならないため、プロセス世代が進むにつれてこの容量形成のための開口部を精度良く加工することが困難となる。
従って、高いアスペクト比の加工をしなくても容易に十分な表面積を有するシリンダー型容量(MIM容量)を有するDRAM混載Logicを得ることができる新規な半導体装置及びその製造方法が要求される。
その他の課題と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される課題を解決するための手段のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
1つの実施の形態による半導体装置の製造方法は、Logic回路のメタル配線層形成と同時に容量素子形成箇所にダミープラグ層を形成し、このダミープラグ層を除去して形成された凹部に前記容量素子を形成する工程を有するものである。
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下記のとおりである。
すなわち、層間絶縁膜への金属から成るダミープラグ層の形成およびその除去を行うことにより、低アスペクト比の開口部を形成することができ、高いアスペクト比の加工をしなくても容易に十分な表面積を有するMIM容量を形成することができる。
以下、図面を参照して実施の形態を詳細に説明する。
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。しかし、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、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。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、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。ただし、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く。
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。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、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。ただし、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除く。このことは、上記数等(個数、数値、量、範囲等を含む)についても同様である。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は原則省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
1.実施の形態1
図1は実施の形態1に係わるDRAM混載Logicの半導体装置の断面を示す断面図である。
図1は実施の形態1に係わるDRAM混載Logicの半導体装置の断面を示す断面図である。
同図に示すようにLogic領域にはLogic回路のためのMOS型素子のゲート電極4、ゲート酸化膜3、サイドウォール5、拡散層6、シリサイド層7が形成されている。
そして、このMOS型素子の上方には金属配線である第1銅配線16、第2銅配線26、第3銅配線42及びこれら各層のバリアメタル層17、25、41が形成されている。これら各層は、第1層間絶縁膜13、第2層間絶縁膜19、第3層間絶縁膜29の各層間絶縁膜中に埋め込まれるように形成されている。
そして、例えばタングステン等の金属からなるロジック部コンタクトプラグ11bによって前記第1銅配線16と拡散層6とを接続する構造となっている。
又、DRAM領域には、下部電極34、容量絶縁膜35、上部電極36、電位制御用配線43、その下のバリア膜41からなるシリンダー型のMIM容量部38が形成されている。上部電極36への電位供給は、前記電位制御用配線43によって行われる。
そして、このMIM容量部38の下部電極34はTiN膜の電極が用いられ、かつ例えばタングステン等の金属からなるDRAM容量コンタクトプラグ11aにより拡散層6に接続されている。
上部電極36はTiN等の電極が用いられ、電位制御用配線43はCuである。またDRAM容量コンタクトプラグ11aやロジック部コンタクトプラグ11bは前記したように例えばタングステンなどが用いられる。
次に本実施の形態1の半導体装置の製造方法を図2から図21に基づき説明する。
図2には半導体基板1上にSiO2膜からなる層間絶縁膜8−1、8−2を有し、その中には前記したようにDRAM容量コンタクトプラグ11a、ロジック部コンタクトプラグ11bが形成されている。そして、これらプラグ11a、11b、層間絶縁膜8−1、8−2上にSiN膜またはSiCN膜からなる第1配線用のエッチングストッパー膜12及び第1層間絶縁膜13を形成する。
次に図3に示すようにDRAMのMIM容量素子38とDRAM容量コンタクトプラグ11aを接続するための開口領域14を形成する。開口領域14は前記第1配線用エッチングストッパー膜12が露出しないように、第1層間絶縁膜13の途中で止まって形成する。
そして、図4に示すように第1銅配線16を形成するための配線埋め込み溝15を第1層間絶縁膜13に形成する。
次に、図5に示すように、前記開口領域14に金属からなる第1のダミー銅プラグ16´と第1のダミーバリア層17´を、前記配線埋め込み溝15に金属配線である第1銅配線16とバリアメタル層17をそれぞれ形成する。
続いて図6に示すように、前記第1のダミー銅プラグ16´、第1銅配線16、第1層間絶縁膜13上にエッチングストッパー膜18と第2層間絶縁膜19を形成し、この第2層間絶縁膜19にDRAM容量形成用の開口部20と第1スルーホール形成用の開口部21を同時に形成する。
そして、図7に記載するように、第2配線形成用の溝22を形成し、開口部20、21の底に露出しているストッパー膜18をエッチバックしてDRAM容量形成用の開口部23と第1スルーホール24を同時に形成する。
次に図8に示すように,前記DRAM容量形成用の開口部23に金属からなる第2のダミー銅プラグ27と第2のダミーバリア層25´を、第2配線形成用の溝22と第1スルーホール24に金属配線である第2銅配線26とバリアメタル層25をそれぞれ形成する。
そして、図9に示すように、エッチングストッパー膜28と第3層間絶縁膜29を形成し、図10のように、DRAM領域にデュアルダマシン法を用いて、前記ダミー銅プラグ27を除去するための開口部30と容量上部電極と電位制御配線用の溝31を形成し、DRAM領域のダミーCuプラグ27を露出させる。
そしてダミーCuプラグ27を硝酸あるいはリン酸と硝酸の混合液を用いて除去し、ダミーバリア層25´はドライエッチングで除去する。これらを繰り返すことによって、第2層間絶縁膜19と第1層間絶縁膜13に形成された第1、第2のダミー銅プラグ16´、27と第1、第2のダミーバリア層17´、25’を除去して図11のような断面構造を得る。
次に、図11の状態からエッチングストッパー膜12が露出するまで、第1層間絶縁膜13を全面エッチバックし、露出後に前記ストッパー膜12をエッチングして図12に示す形状とする。これによりMIM容量を形成するシリンダー領域とMIM容量コンタクトプラグ11aが接続できるようになる。
図13〜図16は下部電極34の形成法を示す。図13に示すように、TiN膜の下部電極形成用膜32をCVDで形成する。そして、図14のようにエッチバック保護用のレジストマスク33を形成し、図15のように下部電極形成用膜32をエッチバックして、図16のようにレジストマスク33を除去してTiN膜の下部電極34を形成する。
次に、容量絶縁膜35と上部電極36を形成してMIMの蓄積容量を形成する工程と上部電極の電位制御用配線43とLogic領域の第3銅配線42を形成する方法について説明する。容量絶縁膜35にはZrO2等が用いられ、上部電極36には下部電極と同様にTiN電極を用いている。
図17に示すように容量絶縁膜35と上部電極36を成膜した後、図18のようにレジストマスク37を塗布する。酸素プラズマアッシングにより図19に示すようにDRAM容量素子形成の溝部分内にのみレジストマスク37を残す。そして図20のように続けて上部電極36と容量絶縁膜35をエッチバックすることにより、DRAMセル領域以外の容量絶縁膜35と上部電極36を除去することにより、DRAMのMIM蓄積容量が完成する。レジストマスク37は酸素プラズマ処理を行により、完全に除去する。
次に図21に示すように、Logic領域に第2スルーホール形成用開口部39と第3配線形成用溝40を形成する。
その後バリアメタルの成膜と銅めっきを行い、CMPにより余分な領域を除去することによって、前記第2スルーホール形成用開口部39と第3配線形成用溝40に第3銅配線42とバリアメタル層41を及び上部電極36上に電位制御用配線43とバリアメタル層41をそれぞれ形成する。これにより、図1に示す半導体装置が完成する。
このような実施の形態1では、高いアスペクト比の加工をしなくても容易に十分な表面積を有するシリンダー型容量(MIM容量)を有するDRAM混載Logicを形成することができる。
又、シリンダー型容量形成のための開口部を精度良く加工することができ、特に微細な加工寸法が必要なプロセス世代において有効である。
さらに、TiNの上部電極によりリーク電流が少なくMIM容量の電気特性が向上する。
また、容量素子の上部電極はCuからなる電位制御用配線を有するため低抵抗のCu配線による安定した電位供給が達成できる。
さらに、TiNの上部電極上にCuからなる電位制御用配線を積層することにより前記したMIM容量の電気特性向上と安定した電位供給を同時に実現することができる。
2.実施の形態2
次に実施の形態2について説明する。図22は実施の形態2に係わるDRAM混載Logicの半導体装置の断面を示す断面図である。本実施の形態2が先の実施の形態1と異なるのは、実施の形態1ではダミープラグ、ダミーバリア層として除去していた箇所を接続用銅プラグ44及び接続用バリアメタル45として残して、DRAM容量コンタクトプラグ11aとシリンダー型容量(MIM容量)38との電気的な接続に用いる点である。
次に実施の形態2について説明する。図22は実施の形態2に係わるDRAM混載Logicの半導体装置の断面を示す断面図である。本実施の形態2が先の実施の形態1と異なるのは、実施の形態1ではダミープラグ、ダミーバリア層として除去していた箇所を接続用銅プラグ44及び接続用バリアメタル45として残して、DRAM容量コンタクトプラグ11aとシリンダー型容量(MIM容量)38との電気的な接続に用いる点である。
図23〜図27に基づき実施の形態2における製造方法を説明する。
図23の第1層間絶縁膜13までの形成はこれまでと同様である。そして第1層間絶縁膜内にMIM容量と容量コンタクトプラグ11aを接続するための開口領域14及び配線埋め込み溝15を形成する。続けて図24のようにエッチバックによりエッチングストッパー膜12を除去する。
そして、図25のように第1銅配線16とバリアメタル層17を前記配線埋め込み溝15に形成し、それとともにDRAM領域の前記開口領域14に接続用銅プラグ44と接続用バリアメタル45を形成する。
次に実施の形態1の図6〜図8と同様な方法により、図26に示すように、エッチングストッパー膜18及び第2層間絶縁膜19を形成し、このエッチングストッパー膜18及び第2層間絶縁膜19のDRAM領域には第2のダミー銅プラグ27及び容量部バリアメタル46を形成する。又、Logic領域には、第2銅配線26と第1スルーホール及びバリアメタル層25を形成する。
次に実施の形態1の図9〜11と同様な製法で図27に示すようにエッチングストッパー膜28、第3層間絶縁膜29を成膜して、DRAM領域の第2のダミー銅プラグ27及び容量部バリアメタル46上に開口部30及び上部電極と電位制御配線用溝31を形成する。
前記第2のダミー銅プラグ27が露出している状態で硝酸またはリン酸・硝酸混合液により前記ダミー銅プラグ27をウェットエッチングで除去する。このときバリアメタル46はエッチング耐性があるため、エッチングがそこで止まり図27のような形状となる。すなわち、実施の形態1では、第2のダミー銅プラグ27、第2のダミーバリア層25´さらに’第1のダミー銅プラグ16´、第1のダミーバリア層17´を全て除去しているが、実施の形態2では、第2のダミーバリア層25´を容量部バリアメタル46として、さらに第1のダミー銅プラグ16´は接続用銅プラグ44として、また、第1のダミーバリア層17´は接続用バリアメタル45としてそれぞれ残すものである。
そして、図27以降は実施の形態1の図13〜21と同じような製法により、下部電極34、容量絶縁膜35、上部電極36をそれぞれ形成し、レジストマスク37を用いて上部電極36と容量絶縁膜35をエッチバックすることにより、DRAMセル領域以外の容量絶縁膜35と上部電極36を除去することにより、DRAMのMIM蓄積容量を完成する。レジストマスク37は酸素プラズマ処理を行により、完全に除去する。そして、Logic領域に第2スルーホール形成用開口部39と第3配線形成用溝40を形成し、その後バリアメタルの成膜と銅めっきを行う。そして、CMPにより余分な領域を除去することによって、Logic領域の前記第2スルーホール形成用開口部39と第3配線形成用溝40に第3銅配線42とバリアメタル層41を及びDRAM領域の上部電極36上に電位制御用配線43とバリアメタル層41をそれぞれ形成する。
これにより、図22に示す半導体装置が完成する。
これにより、図22に示す半導体装置が完成する。
このような実施の形態2によれば、ダミー銅プラグを除去する工程数を減らせるため、製造コストを削減できる。
また、実施の形態1と同様な効果を得ることができる。
3.実施の形態3
次に実施の形態3について説明する。
次に実施の形態3について説明する。
図28は実施の形態3に係わるDRAM混載Logicの半導体装置の断面を示す断面図である。
実施の形態3における製造方法を図29〜図33に基づき説明する。
図29は第1銅配線16、バリアメタル層17、第1のダミー銅プラグ16´、第1のダミーバリア層17´の形成後の断面図である。第1のダミー銅プラグ16´、第1のダミーバリア層17´はDRAM容量コンタクトプラグ11aに接触して形成される。
ここまでの形成方法は前記した実施の形態2の図23〜図25とほぼ同様である。異なる点は、実施の形態2では接続用銅プラグ44と接続用バリアメタル45として形成しているが、実施の形態3ではこれらは、それぞれ第1のダミー銅プラグ16´、第1のダミーバリア層17´(後で除去する)としている点である。
そして図30のように、エッチングストッパー膜18及び第2層間絶縁膜19を形成し、このエッチングストッパー膜18及び第2層間絶縁膜19のDRAM領域には第2のダミー銅プラグ27及び第2のダミーバリア層25´を又、Logic領域には、第2銅配線26と第1スルーホール及びバリアメタル層25をそれぞれ形成する。この時、第2のダミー銅プラグ27は円筒型のMIM蓄積容量を埋め込めるよう、十分な径の大きさにしておく。すなわち、シリンダー型MIM蓄積容量のシリンダー径とほぼ同じ径の大きさとする。
さらに、エッチングストッパー膜28と第3層間絶縁膜29をこれらの上に形成し、これらエッチングストッパー膜28と第3層間絶縁膜29のDRAM領域の第2のダミー銅プラグ27及び第2のダミーバリア層25´上に開口部30及び上部電極と電位制御配線用溝31を形成する。
そして、図31に示すように、前記第2のダミー銅プラグ27を除去する。
さらに、図32に示すようにドライエッチバックにより第2のダミーバリア層25´の底部を除去して第1のダミー銅プラグ16´を露出させる。
さらに、図32に示すようにドライエッチバックにより第2のダミーバリア層25´の底部を除去して第1のダミー銅プラグ16´を露出させる。
そして、図33のように、第1のダミーバリア層17´を残して、第1のダミー銅プラグ16´を除去する。これにより、シリンダー型MIM蓄積容量形成用の凹部を形成する。
その後は、実施の形態1の図13〜図21と同じような製法により下部電極34、容量絶縁膜35、上部電極36をそれぞれ形成し、レジストマスク37を用いて上部電極36と容量絶縁膜35をエッチバックすることにより、DRAMセル領域以外の容量絶縁膜35と上部電極36を除去することにより、DRAMのMIM蓄積容量を完成する。レジストマスク37は酸素プラズマ処理を行により、完全に除去する。
次に実施の形態1の図21に示すような、Logic領域の第2スルーホール形成用開口部39と第3配線形成用溝40を形成し、その後バリアメタルの成膜と銅めっきを行う。そして、CMPにより余分な領域を除去することによって、前記第2スルーホール形成用開口部39と第3配線形成用溝40に第3銅配線42とバリアメタル層41を及び上部電極36上に電位制御用配線43とバリアメタル層41をそれぞれ形成する。これにより、図28に示す半導体装置が完成する。
この実施の形態3によれば、実施の形態1と同様な効果を得られるだけでなく、実施の形態1及び実施の形態2と比較してMIM蓄積容量の表面積を大きくすることが可能であり、長時間のデータ保持特性が要求される場合に有効である。
実施の形態3は第1銅配線16、第2銅配線26、第3銅配線42が形成される第1層間絶縁膜13から第3層間絶縁膜29の3層に渡りそれら絶縁膜内に形成されるが、ダミー銅プラグを積層すれば、4層以上のより多層の層間絶縁膜内にMIM蓄積容量を形成することができ、データ保持特性の向上を図ることができる。
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において種々変更可能であることは言うまでもない。
1:半導体基板
2:素子分離部(STI部)
3:ゲート酸化膜
4:ゲート電極
5:サイドウォール
6:拡散層
7:シリサイド層
8−1、8−2:ゲート電極上の層間絶縁膜
9:ビット線コンタクトプラグ
10:ビット線
11a:DRAM容量コンタクトプラグ
11b:ロジック部コンタクトプラグ
12、18、28:エッチングストッパー膜
13:第1層間絶縁膜
19:第2層間絶縁膜
29:第3層間絶縁膜
14:開口領域
15:配線埋め込み溝
16:第1銅配線
17、25、41:バリアメタル層
16´、27:第1、第2のダミー銅プラグ
17´、25´: 第1、第2のダミーバリア層
20、23:容量素子形成用開口部
21:第1スルーホール形成用開口部
22:第2配線形成用溝
24:第1スルーホール
26:第2銅配線
30:開口部
31:上部電極と電位制御配線用溝
32:下部電極形成用膜
33、37:レジストマスク
34:下部電極
35:容量絶縁膜
36:上部電極
38:MIM容量部
39:第2スルーホール形成用開口部
40:第3配線形成用溝
42:第3銅配線
43:電位制御用配線
44:接続用銅プラグ
45:接続用バリアメタル
46:容量部バリアメタル
2:素子分離部(STI部)
3:ゲート酸化膜
4:ゲート電極
5:サイドウォール
6:拡散層
7:シリサイド層
8−1、8−2:ゲート電極上の層間絶縁膜
9:ビット線コンタクトプラグ
10:ビット線
11a:DRAM容量コンタクトプラグ
11b:ロジック部コンタクトプラグ
12、18、28:エッチングストッパー膜
13:第1層間絶縁膜
19:第2層間絶縁膜
29:第3層間絶縁膜
14:開口領域
15:配線埋め込み溝
16:第1銅配線
17、25、41:バリアメタル層
16´、27:第1、第2のダミー銅プラグ
17´、25´: 第1、第2のダミーバリア層
20、23:容量素子形成用開口部
21:第1スルーホール形成用開口部
22:第2配線形成用溝
24:第1スルーホール
26:第2銅配線
30:開口部
31:上部電極と電位制御配線用溝
32:下部電極形成用膜
33、37:レジストマスク
34:下部電極
35:容量絶縁膜
36:上部電極
38:MIM容量部
39:第2スルーホール形成用開口部
40:第3配線形成用溝
42:第3銅配線
43:電位制御用配線
44:接続用銅プラグ
45:接続用バリアメタル
46:容量部バリアメタル
Claims (9)
- DRAMとLogic回路を混載した半導体装置の製造方法であって、Logic回路の金属配線層を形成する複数の層間絶縁層内で前記DRAMの容量素子形成箇所に、前記Logic回路の金属配線層形成と同時にダミープラグを形成し、このダミープラグを除去して形成された凹部に前記DRAMの容量素子を形成する工程を有するDRAMとLogic回路を混載した半導体装置の製造方法。
- 前記ダミープラグは、第1のダミープラグとこの第1のダミープラグ上に積層される第2のダミープラグからなる請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ダミープラグはその下にバリア層を有し、前記ダミープラグ除去後該バリア層も除去する請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ダミープラグはその下にバリア層を有し、前記ダミープラグ除去後該バリア層は残し、ダミープラグを除去して形成された凹部内に前記バリア層を有する状態で、前記DRAMの容量素子を形成する請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ダミープラグの前記第2のプラグを除去し、これにより形成された凹部に前記DRAMの容量素子を形成し、前記第1のプラグは、前記DRAM容量素子の接続用プラグとして用いる請求項2記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ダミープラグは金属からなる請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1のダミープラグは前記Logic回路の第1層金属配線層形成と同時に形成され、前記第2のダミープラグは前記Logic回路の第2層金属配線層形成と同時に形成される請求項2記載の半導体装置の製造方法。
- 前記請求項1に記載の製造方法によって形成されたDRAMとLogic回路を混載した半導体装置。
- 前記請求項4に記載の製造方法によって形成されたDRAMとLogic回路を混載した半導体装置。
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-
2012
- 2012-03-08 JP JP2012051861A patent/JP2013187398A/ja active Pending
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CN106463512B (zh) * | 2014-04-28 | 2019-08-09 | 美光科技公司 | 铁电存储器及其形成方法 |
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