JP2019134116A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

To achieve a semiconductor device having a high wiring reliability even in a case where a cavity is formed in a connection part.SOLUTION: A first opening 23a formed on a first insulating film 19, 20 is embedded with a first conductive material 26. A cavity 27 formed in the first conductive material is exposed from an upper surface of the first conductive material 26 embedding the first opening 23a. A second insulating film 28 is formed on the first insulating film 19, 20. A second opening 23b communicated with the first opening 23a is formed on the second insulating film 28. An inner wall surface of the second opening 23b is covered with a second conductive material 29 by a sputtering method to close the cavity 27. The inside of the second opening 23b is embedded with a third conductive material 31 via the second conductive material 29.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

近時では、半導体装置の高集積化に伴う微細化の要請により、狭くて深い、即ちアスペクト比の大きなコンタクトホールやビアホール(以下、これらを総称して接続孔と言う。)が形成されるようになってきている。   Recently, contact holes and via holes (hereinafter collectively referred to as connection holes) that are narrow and deep, that is, have a large aspect ratio, are formed due to demands for miniaturization accompanying higher integration of semiconductor devices. It is becoming.

特開平10−74710号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-74710 特開2001−223342号公報JP 2001-223342 A

接続孔の内部に導電材料の埋め込みを行った際に、導電材料の成長速度が接続孔の入り口近傍で底部よりも速いために、導電材料の埋め込みが不十分なまま接続孔の入り口近傍が導電材料で閉塞され、接続孔内に空洞(ボイド:所謂「ス」)が形成されてしまう。以降の工程で接続孔の入り口を露出させるために化学機械研磨(Chemical Mechanical Polish:CMP)等を行って余分な導電材料を除去すると、上記の空洞が露出する場合がある。この空洞を持つ接続孔上に、別の接続孔や配線を形成すると、コンタクト不良が生じたり、空洞の上部から配線材料が空洞内に入り込んだりすることがあり、配線信頼性が低下するという問題がある。   When the conductive material is embedded inside the connection hole, the growth rate of the conductive material is faster near the entrance of the connection hole than at the bottom. It is blocked by the material, and a cavity (void: so-called “su”) is formed in the connection hole. When the conductive material is removed by performing chemical mechanical polishing (CMP) or the like in order to expose the entrance of the connection hole in the subsequent steps, the above-described cavity may be exposed. If another connection hole or wiring is formed on the connection hole with this cavity, contact failure may occur, or wiring material may enter the cavity from the top of the cavity, resulting in reduced wiring reliability. There is.

本発明は、開口内の導電材料に空洞が形成される場合でも、配線信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device with high wiring reliability and a method for manufacturing the same even when a cavity is formed in a conductive material in an opening.

一つの態様では、半導体装置の製造方法は、第1絶縁膜に形成された第1開口を第1導電材料で埋め込む工程と、前記第1開口を埋め込む前記第1導電材料の上面から、前記第1導電材料内に形成された空洞を露出させる工程と、前記第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成し、前記第2絶縁膜に前記第1開口と連通する第2開口を形成する工程と、スパッタ法により、第2導電材料で前記第2開口の内壁面を覆って前記空洞上を閉塞する工程と、前記第2開口内を、前記第2導電材料を介して第3導電材料で埋め込む工程とを備えている。   In one aspect, a method of manufacturing a semiconductor device includes a step of filling a first opening formed in a first insulating film with a first conductive material, and an upper surface of the first conductive material filling the first opening. A step of exposing a cavity formed in one conductive material; a step of forming a second insulating film on the first insulating film; and forming a second opening communicating with the first opening in the second insulating film. And a step of covering the inner surface of the second opening with the second conductive material by a sputtering method and closing the cavity, and the inside of the second opening with the third conductive material via the second conductive material. And an embedding process.

一つの態様では、半導体装置は、第1絶縁膜に形成された第1開口を埋め込み、内部に空洞を有する第1導電材料と、前記第1絶縁膜上の第2絶縁膜に形成され、前記第1開口と連通する第2開口の内壁面を覆って前記空洞上を閉塞する第1導電材料と、前記第2開口内を前記第2導電材料を介して埋め込む第3導電材料とを備えている。   In one aspect, a semiconductor device is formed in a first conductive material having a first opening formed in a first insulating film and having a cavity therein, and a second insulating film on the first insulating film, A first conductive material that covers an inner wall surface of the second opening that communicates with the first opening and closes the cavity; and a third conductive material that fills the second opening with the second conductive material. Yes.

一つの側面では、開口内の導電材料に空洞が形成される場合でも、配線信頼性の高い半導体装置を実現できる。   In one aspect, a semiconductor device with high wiring reliability can be realized even when a cavity is formed in the conductive material in the opening.

第1の実施形態による半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device by 1st Embodiment in order of a process. 図1に引き続き、第1の実施形態による半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment in the order of steps, following FIG. 1. 図2に引き続き、第1の実施形態による半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment in order of processes following FIG. 2. コンタクトプラグの部分を拡大して、第1の実施形態における主要工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which expands the part of a contact plug and shows the main processes in a 1st embodiment. 図4に引き続き、コンタクトプラグの部分を拡大して、第1の実施形態における主要工程を示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the main process in the first embodiment by enlarging the contact plug portion following FIG. 4. 図5に引き続き、コンタクトプラグの部分を拡大して、第1の実施形態における主要工程を示す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the main process in the first embodiment by enlarging the contact plug portion following FIG. 5. 上部ビアホールのアスペクト比と最大許容角度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the aspect-ratio of an upper via hole, and a maximum permissible angle. 第2の実施形態による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the main processes of the manufacturing method of the semiconductor device by 2nd Embodiment. コンタクトプラグの部分を拡大して、第2の実施形態における主要工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which expands the part of a contact plug and shows the main processes in 2nd Embodiment. 図9に引き続き、コンタクトプラグの部分を拡大して、第2の実施形態における主要工程を示す概略断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the main process in the second embodiment by enlarging the contact plug portion following FIG. 9. 図10に引き続き、コンタクトプラグの部分を拡大して、第2の実施形態における主要工程を示す概略断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing main steps in the second embodiment by enlarging a contact plug portion, following FIG. 10.

以下、半導体装置及びその製造方法の諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の諸実施形態では、強誘電体キャパシタを備えた半導体装置を例示し、その構造について製造方法と共に説明する。   Hereinafter, embodiments of a semiconductor device and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, a semiconductor device including a ferroelectric capacitor is illustrated, and the structure thereof will be described together with a manufacturing method.

[第1の実施形態]
図1〜図3は、第1の実施形態による半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、各図面において同一又は等価な構成部材等には同一の参照符号を付与している。
[First Embodiment]
1 to 3 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment in the order of steps. In each drawing, the same reference numerals are given to the same or equivalent components.

先ず、図1(a)に示すように、半導体基板1に素子分離領域2を形成した後、ゲート絶縁膜3及びゲート電極4を形成する。
詳細には、先ず、例えばP型の半導体基板1の表層部分に、例えばSTI(shallow trench isolation)技術を用いて、素子分離領域2を形成する。
次に、素子分離領域2で画定された半導体基板1の素子形成領域に、ウェル及びチャネルストップ拡散層等を形成するためのイオン注入を行う。
First, as shown in FIG. 1A, after forming an element isolation region 2 in a semiconductor substrate 1, a gate insulating film 3 and a gate electrode 4 are formed.
Specifically, first, the element isolation region 2 is formed in the surface layer portion of the P-type semiconductor substrate 1 by using, for example, STI (shallow trench isolation) technology.
Next, ion implantation for forming a well, a channel stop diffusion layer, and the like is performed in the element formation region of the semiconductor substrate 1 defined by the element isolation region 2.

次に、例えば熱酸化法により、半導体基板1の表面にゲート絶縁膜となるSiO2膜を形成し、例えばCVD法により、SiO2膜上にゲート電極となるポリシリコン膜を形成する。 Then, for example, by a thermal oxidation method, SiO 2 film is formed as a gate insulating film on the surface of the semiconductor substrate 1, for example, by CVD method to form a polysilicon film serving as a gate electrode on the SiO 2 film.

次に、リソグラフィー及びエッチングによりSiO2膜及びポリシリコン膜をパターニングする。以上により、素子形成領域上にゲート絶縁膜3を介したゲート電極4が形成される。 Next, the SiO 2 film and the polysilicon film are patterned by lithography and etching. As described above, the gate electrode 4 is formed on the element formation region via the gate insulating film 3.

続いて、図1(b)に示すように、LDD領域5、サイドウォール絶縁膜6、ソース/ドレイン領域7、及びシリサイド層8を形成する。
詳細には、先ず、LDD(lightly doped drain)領域を形成するため、ゲート電極4をマスクとして用いて、半導体基板1の素子形成領域におけるゲート電極4の両側にP,As等のN型不純物を比較的浅くイオン注入する。
Subsequently, as shown in FIG. 1B, an LDD region 5, a sidewall insulating film 6, a source / drain region 7, and a silicide layer 8 are formed.
Specifically, first, in order to form an LDD (lightly doped drain) region, N-type impurities such as P and As are formed on both sides of the gate electrode 4 in the element formation region of the semiconductor substrate 1 using the gate electrode 4 as a mask. Ion implantation is relatively shallow.

次に、例えばCVD法により、ゲート電極4を覆うようにSiO2等の絶縁物を半導体基板1上に堆積した後、この絶縁物の全面をエッチバックしてゲート絶縁膜3及びゲート電極4の側面のみに絶縁物を残す。以上により、ゲート絶縁膜3及びゲート電極4の側面にサイドウォール絶縁膜6が形成される。 Next, after an insulator such as SiO 2 is deposited on the semiconductor substrate 1 so as to cover the gate electrode 4 by, for example, CVD, the entire surface of the insulator is etched back to form the gate insulating film 3 and the gate electrode 4. Leave insulation only on the sides. Thus, the sidewall insulating film 6 is formed on the side surfaces of the gate insulating film 3 and the gate electrode 4.

次に、ソース/ドレイン領域を形成するため、サイドウォール絶縁膜6をマスクとして用いて、半導体基板1の素子形成領域におけるサイドウォール絶縁膜6の両側にP,As等のN型不純物を比較的深くイオン注入する。そして、半導体基板1を熱処理し、導入されたN型不純物を活性化させる。以上により、LDD領域5及びこれと一部重畳するソース/ドレイン領域7が形成される。   Next, in order to form the source / drain regions, N-type impurities such as P and As are relatively formed on both sides of the sidewall insulating film 6 in the element forming region of the semiconductor substrate 1 using the sidewall insulating film 6 as a mask. Deep ion implantation. Then, the semiconductor substrate 1 is heat-treated to activate the introduced N-type impurity. Thus, the LDD region 5 and the source / drain region 7 partially overlapping therewith are formed.

次に、サリサイドプロセスを行う。スパッタ法等により、半導体基板1の全面にシリサイド金属、例えばWやTi等を堆積し、半導体基板1を熱処理し、ゲート電極4の上面及びソース/ドレイン領域7の上面とシリサイド金属とを反応させる。所定のウェット処理により未反応のシリサイド金属を除去する。以上により、ゲート電極4の上面及びソース/ドレイン領域7の上面にシリサイド層8が形成される。シリサイド層8を形成することにより、ゲート電極4及びソース/ドレイン領域7のコンタクト抵抗を低減させることができる。
以上により、半導体基板1上にMOSトランジスタが形成される。
Next, a salicide process is performed. A silicide metal, such as W or Ti, is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by sputtering or the like, and the semiconductor substrate 1 is heat-treated to cause the upper surface of the gate electrode 4 and the upper surface of the source / drain region 7 to react with the silicide metal. . Unreacted silicide metal is removed by a predetermined wet treatment. Thus, the silicide layer 8 is formed on the upper surface of the gate electrode 4 and the upper surface of the source / drain region 7. By forming the silicide layer 8, the contact resistance of the gate electrode 4 and the source / drain region 7 can be reduced.
As a result, a MOS transistor is formed on the semiconductor substrate 1.

続いて、図1(c)に示すように、カバー膜9、層間絶縁膜10、及びコンタクトプラグ11A,11Bを形成する。
詳細には、先ず、例えばCVD法により、半導体基板1の全面にSi34等の絶縁物を堆積し、例えば70nm程度の厚みのカバー膜9を形成する。
次に、例えばCVD法により、カバー膜9上にSiO2等の絶縁物を堆積し、その表面を例えばCMP法により平坦化する。以上により、層間絶縁膜10が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 1C, a cover film 9, an interlayer insulating film 10, and contact plugs 11A and 11B are formed.
Specifically, first, an insulating material such as Si 3 N 4 is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by, eg, CVD, and a cover film 9 having a thickness of, eg, about 70 nm is formed.
Next, an insulator such as SiO 2 is deposited on the cover film 9 by, eg, CVD, and the surface thereof is planarized by, eg, CMP. Thus, the interlayer insulating film 10 is formed.

次に、リソグラフィー及びエッチングにより層間絶縁膜10をパターニングし、各ソース/ドレイン領域7の表面の一部を露出させるコンタクトホール11aを形成する。
次に、コンタクトホール11aの内壁面(側面及び底面)を覆うように、層間絶縁膜10上にバリア導電材料である例えばTiN又はTaN等を堆積し、バリア膜11bを形成する。
Next, the interlayer insulating film 10 is patterned by lithography and etching to form a contact hole 11a that exposes a part of the surface of each source / drain region 7.
Next, a barrier conductive material such as TiN or TaN is deposited on the interlayer insulating film 10 so as to cover the inner wall surface (side surface and bottom surface) of the contact hole 11a, thereby forming the barrier film 11b.

次に、例えばCVD法により、バリア膜11bを介してコンタクトホール11a内を埋め込むように、バリア膜11b上に高融点金属、例えばW(タングステン)11cを堆積する。   Next, a refractory metal such as W (tungsten) 11c is deposited on the barrier film 11b so as to fill the contact hole 11a via the barrier film 11b by, for example, the CVD method.

次に、例えばCMP法により、層間絶縁膜10の表面上に存する余剰のバリア膜11b及びW11cを研磨除去する。以上により、コンタクトホール11a内をバリア膜11bを介してW11cで充填するコンタクトプラグ11A,11Bが形成される。   Next, excess barrier film 11b and W11c existing on the surface of interlayer insulating film 10 are polished and removed by, for example, CMP. Thus, contact plugs 11A and 11B are formed to fill the contact hole 11a with W11c through the barrier film 11b.

続いて、図1(d)に示すように、酸化防止膜12及び緩衝膜13を形成する。
詳細には、先ず、例えばCVD法により、層間絶縁膜10上にSi34等の絶縁物を堆積し、例えば100nm程度の厚みの酸化防止膜12を形成する。
次に、例えばCVD法により、酸化防止膜12上にSiO2等の絶縁物を堆積し、例えば130nm程度の厚みの緩衝膜13を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 1D, an antioxidant film 12 and a buffer film 13 are formed.
Specifically, first, an insulating material such as Si 3 N 4 is deposited on the interlayer insulating film 10 by, eg, CVD, and the antioxidant film 12 having a thickness of, eg, about 100 nm is formed.
Next, an insulator such as SiO 2 is deposited on the antioxidant film 12 by, eg, CVD, and a buffer film 13 having a thickness of, eg, about 130 nm is formed.

続いて、図2(a)に示すように、強誘電体キャパシタを形成する。
詳細には、先ず、緩衝膜13上に密着層となる例えばAl23膜を形成する。次に、Al23膜上に下部電極となる例えばPt膜を形成する。次に、Pt膜上に強誘電体膜となる例えばPZT膜を形成する。その後、強誘電体膜に対して急速加熱処理を行う。これにより、強誘電体膜が結晶化される。次に、強誘電体膜上に上部電極となるIrO2膜を形成する。そして、リソグラフィー及びエッチングにより、PZT膜及びIrO2膜と、Al23膜及びPt膜とをそれぞれパターニングする。以上により、緩衝膜13上に密着層14を介して、下部電極15及び上部電極17で強誘電体膜16を挟持する強誘電体キャパシタが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 2A, a ferroelectric capacitor is formed.
Specifically, first, for example, an Al 2 O 3 film serving as an adhesion layer is formed on the buffer film 13. Next, for example, a Pt film serving as a lower electrode is formed on the Al 2 O 3 film. Next, for example, a PZT film to be a ferroelectric film is formed on the Pt film. Thereafter, a rapid heat treatment is performed on the ferroelectric film. Thereby, the ferroelectric film is crystallized. Next, an IrO 2 film to be an upper electrode is formed on the ferroelectric film. Then, the PZT film and the IrO 2 film, and the Al 2 O 3 film and the Pt film are patterned by lithography and etching, respectively. As a result, a ferroelectric capacitor is formed on the buffer film 13 with the lower electrode 15 and the upper electrode 17 sandwiching the ferroelectric film 16 via the adhesion layer 14.

続いて、図2(b)に示すように、水素バリア膜18及び層間絶縁膜19,20を形成する。
詳細には、先ず、例えばCVD法により、強誘電体キャパシタの上面及び側面を覆うようにAl23等の絶縁物を堆積し、例えば50nm程度の厚みの水素バリア膜18を形成する。水素バリア膜の材料として、例えばTiO2を用いることも可能である。
Subsequently, as shown in FIG. 2B, a hydrogen barrier film 18 and interlayer insulating films 19 and 20 are formed.
Specifically, first, an insulating material such as Al 2 O 3 is deposited so as to cover the upper surface and side surfaces of the ferroelectric capacitor by, eg, CVD, and the hydrogen barrier film 18 having a thickness of, for example, about 50 nm is formed. As a material for the hydrogen barrier film, for example, TiO 2 can be used.

次に、例えばTEOS(Tetraethyl Orthosilicate)、酸素及びヘリウムを含む混合ガスを用いたプラズマCVD法を用いて、水素バリア膜18上にSiO2を主として含む、例えば1400nm程度の厚みの層間絶縁膜19を形成する。層間絶縁膜19の成膜は、強誘電体キャパシタの特性劣化を防ぐため、層間絶縁膜19中の水素及び水分を排除し得る条件で行うことが好ましい。具体的には、成膜温度を高くする、ガス圧を高くする、酸素流量を増やす等の施策によって実現可能である。層間絶縁膜19の成膜後、例えばCMP法を用いて層間絶縁膜19の表面を平坦化する。その後、N2Oガス又はN2ガス等を用いて発生させたプラズマ雰囲気中で層間絶縁膜19に対して熱処理を行う。この熱処理により、層間絶縁膜19の内部に含まれる水分が除去されると共に、層間絶縁膜19の膜質が変化し、層間絶縁膜19の内部への水素及び水分の進入が抑制される。 Next, for example, a plasma CVD method using a mixed gas containing TEOS (Tetraethyl Orthosilicate), oxygen, and helium is used to form an interlayer insulating film 19 having a thickness of, for example, about 1400 nm mainly containing SiO 2 on the hydrogen barrier film 18. Form. The interlayer insulating film 19 is preferably formed under conditions that can eliminate hydrogen and moisture in the interlayer insulating film 19 in order to prevent deterioration of the characteristics of the ferroelectric capacitor. Specifically, it can be realized by measures such as increasing the film formation temperature, increasing the gas pressure, and increasing the oxygen flow rate. After the formation of the interlayer insulating film 19, the surface of the interlayer insulating film 19 is planarized using, for example, a CMP method. Thereafter, heat treatment is performed with respect to the N 2 O gas or N 2 gas, etc. interlayer insulating film 19 in a plasma atmosphere generated by using the. By this heat treatment, moisture contained in the interlayer insulating film 19 is removed, the film quality of the interlayer insulating film 19 is changed, and entry of hydrogen and moisture into the interlayer insulating film 19 is suppressed.

次に、シラン、N2Oガス又はN2を含む混合ガスを用いたプラズマCVD法を用いて、層間絶縁膜19上にSiO2を主として含む250nm程度の厚みの層間絶縁膜20を形成する。成膜後、N2Oガス又はN2ガス等を用いて発生させたプラズマ雰囲気中で層間絶縁膜20の熱処理を行うことが好ましい。この熱処理により、層間絶縁膜20の内部に含まれる水分が除去されると共に層間絶縁膜20の膜質が変化し、層間絶縁膜20の内部への水素及び水分の侵入が抑制される。 Next, an interlayer insulating film 20 having a thickness of about 250 nm mainly containing SiO 2 is formed on the interlayer insulating film 19 by plasma CVD using a mixed gas containing silane, N 2 O gas, or N 2 . After the film formation, the interlayer insulating film 20 is preferably heat-treated in a plasma atmosphere generated using N 2 O gas or N 2 gas. By this heat treatment, moisture contained in the interlayer insulating film 20 is removed and the film quality of the interlayer insulating film 20 is changed, and entry of hydrogen and moisture into the interlayer insulating film 20 is suppressed.

続いて、図2(c)に示すように、下部ビアホール21a,22a,23a,24aを形成する。
詳細には、先ず、リソグラフィー及びエッチングにより、水素バリア膜18及び層間絶縁膜19,20をパターニングする。これにより、強誘電体キャパシタの上部電極17の表面の一部及び下部電極15の表面の一部をそれぞれ露出させる下部ビアホール21a,22aが形成される。
次に、リソグラフィー及びエッチングにより、酸化防止膜12、緩衝膜13、水素バリア膜18、及び層間絶縁膜19,20を形成する。これにより、コンタクトプラグ11A,11Bの各表面を露出させる下部ビアホール23a,24aが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, lower via holes 21a, 22a, 23a, and 24a are formed.
Specifically, first, the hydrogen barrier film 18 and the interlayer insulating films 19 and 20 are patterned by lithography and etching. As a result, lower via holes 21a and 22a are formed to expose part of the surface of the upper electrode 17 and part of the surface of the lower electrode 15 of the ferroelectric capacitor.
Next, the antioxidant film 12, the buffer film 13, the hydrogen barrier film 18, and the interlayer insulating films 19 and 20 are formed by lithography and etching. As a result, lower via holes 23a and 24a exposing the surfaces of the contact plugs 11A and 11B are formed.

続いて、図3(a)に示すように、強誘電体キャパシタの上部電極17と接続されるコンタクトプラグ21、下部電極15と接続されるコンタクトプラグ22、及びMOSトランジスタのソース/ドレイン領域17a,17bと接続されるコンタクトプラグ23及び24を形成する。これらのコンタクトプラグのうち、例えばコンタクトプラグ23,24は、強誘電体キャパシタを有する層間絶縁膜19等に形成されるため、そのアスペクト比は他のコンタクトプラグよりも格段に大きい。そのため、下部ビアホールの例えばWによる埋め込みが不十分となり、内部に空洞が形成される。本実施形態では、以下で説明するように、この空洞を効果的に覆い、コンタクト不良を抑止する。   Subsequently, as shown in FIG. 3A, the contact plug 21 connected to the upper electrode 17 of the ferroelectric capacitor, the contact plug 22 connected to the lower electrode 15, and the source / drain regions 17a of the MOS transistor, Contact plugs 23 and 24 connected to 17b are formed. Among these contact plugs, for example, the contact plugs 23 and 24 are formed in the interlayer insulating film 19 or the like having a ferroelectric capacitor, so that the aspect ratio thereof is much larger than other contact plugs. Therefore, the lower via hole is not sufficiently filled with, for example, W, and a cavity is formed inside. In this embodiment, as will be described below, this cavity is effectively covered to prevent contact failure.

コンタクトプラグ23は、アスペクト比の大きい下部コンタクトプラグ23Aと、これよりもアスペクト比の小さい上部コンタクトプラグ23Bとのvia to via構造とされている。同様に、コンタクトプラグ24は、アスペクト比の大きい下部コンタクトプラグ24Aと、これよりもアスペクト比の小さい上部コンタクトプラグ24Bとのvia to via構造とされている。コンタクトプラグ23と適合させるべく、コンタクトプラグ21も同様に、下部及び上部コンタクトプラグ21A,21Bから構成されている。コンタクトプラグ22も同様に、下部及び上部コンタクトプラグ22A,22Bから構成されている。   The contact plug 23 has a via to via structure of a lower contact plug 23A having a large aspect ratio and an upper contact plug 23B having a smaller aspect ratio. Similarly, the contact plug 24 has a via to via structure of a lower contact plug 24A having a large aspect ratio and an upper contact plug 24B having a smaller aspect ratio. In order to be compatible with the contact plug 23, the contact plug 21 is similarly composed of lower and upper contact plugs 21A, 21B. Similarly, the contact plug 22 includes lower and upper contact plugs 22A and 22B.

図4〜図6は、コンタクトプラグ23の部分を拡大して、本実施形態における主要工程を示す概略断面図である。以下、コンタクトプラグ23の形成工程を説明するが、コンタクトプラグ24もコンタクトプラグ23と同様に形成される。コンタクトプラグ21,22には内部に空洞が形成されない場合を想定しており、この場合でもコンタクトプラグ23と同じ形成工程で形成される。   4 to 6 are schematic cross-sectional views showing the main steps in the present embodiment by enlarging the contact plug 23 portion. Hereinafter, although the process of forming the contact plug 23 will be described, the contact plug 24 is formed in the same manner as the contact plug 23. It is assumed that the contact plugs 21 and 22 do not have cavities formed therein. Even in this case, the contact plugs 21 and 22 are formed in the same formation process as the contact plug 23.

図4(a)に示すように、バリア膜25及びW(タングステン)26を形成する。
詳細には、先ず、例えばCVD法により、下部ビアホール23aの内壁面(側面及び底面)を覆うように、層間絶縁膜20上にバリア導電材料である例えばTiN又はTaN等を堆積し、バリア膜25を形成する。下部ビアホール21a,22a,24aについても同様である。
次に、バリア膜25を介して下部ビアホール23a内を埋め込むように、バリア膜25上に高融点金属、例えばW26を堆積する。このとき、下部ビアホール21a,22aはW26で良好に充填されるが、下部ビアホール23a,24aはアスペクト比が下部ビアホール21a,22aよりも大きいために、内部に空洞27が生成される。
As shown in FIG. 4A, a barrier film 25 and W (tungsten) 26 are formed.
Specifically, first, for example, TiN or TaN, which is a barrier conductive material, is deposited on the interlayer insulating film 20 so as to cover the inner wall surface (side surface and bottom surface) of the lower via hole 23a by, for example, the CVD method. Form. The same applies to the lower via holes 21a, 22a, and 24a.
Next, a refractory metal such as W26 is deposited on the barrier film 25 so as to fill the lower via hole 23a via the barrier film 25. At this time, the lower via holes 21a and 22a are satisfactorily filled with W26, but since the lower via holes 23a and 24a have a larger aspect ratio than the lower via holes 21a and 22a, a cavity 27 is generated inside.

続いて、図4(b)に示すように、例えばCMP法により、層間絶縁膜20の表面上に存する余剰のバリア膜25及びW26を研磨除去する。以上により、コンタクトプラグ23Aが形成される。コンタクトプラグ23Aでは、CMPの研磨により、空洞27がW26の上面から露出した状態となる。同様に、空洞27がW26の上面から露出した内部に空洞を有するコンタクトプラグ24Aと、ここでは内部に空洞が生じないコンタクトプラグ21A,22Aとが形成される。   Subsequently, as shown in FIG. 4B, the excess barrier film 25 and W26 existing on the surface of the interlayer insulating film 20 are polished and removed by, for example, CMP. Thus, the contact plug 23A is formed. In the contact plug 23A, the cavity 27 is exposed from the upper surface of W26 by CMP polishing. Similarly, contact plugs 24A having cavities inside the cavities 27 exposed from the upper surface of W26 and contact plugs 21A and 22A in which no cavities are formed are formed.

続いて、図4(c)に示すように、層間絶縁膜28を形成する。
詳細には、シラン、N2Oガス又はN2を含む混合ガスを用いたプラズマCVD法を用いて、層間絶縁膜20上にSiO2を主として含む層間絶縁膜28を形成する。層間絶縁膜28は、例えば200nm程度の厚みに成膜される。成膜後、N2Oガス又はN2ガス等を用いて発生させたプラズマ雰囲気中で層間絶縁膜28の熱処理を行うことが好ましい。この熱処理により、層間絶縁膜28の内部に含まれる水分が除去されると共に層間絶縁膜28の膜質が変化し、層間絶縁膜28の内部への水素及び水分の侵入が抑制される。
Subsequently, as shown in FIG. 4C, an interlayer insulating film 28 is formed.
Specifically, the interlayer insulating film 28 mainly containing SiO 2 is formed on the interlayer insulating film 20 by plasma CVD using a mixed gas containing silane, N 2 O gas, or N 2 . The interlayer insulating film 28 is formed to a thickness of about 200 nm, for example. After the film formation, the interlayer insulating film 28 is preferably heat-treated in a plasma atmosphere generated using N 2 O gas or N 2 gas. By this heat treatment, moisture contained in the interlayer insulating film 28 is removed and the film quality of the interlayer insulating film 28 is changed, and entry of hydrogen and moisture into the interlayer insulating film 28 is suppressed.

続いて、図5(a)に示すように、上部ビアホール23bを形成する。
詳細には、先ず、リソグラフィー及びエッチングにより、層間絶縁膜28をパターニングする。これにより、下部ビアホール23aと連通してコンタクトプラグ23Aの上面を露出させる上部ビアホール23bが形成される。上部ビアホール23bは、下部ビアホール23aよりも小さなアスペクト比に形成される。同様に、上部ビアホール21b,22b,24bが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 5A, an upper via hole 23b is formed.
Specifically, first, the interlayer insulating film 28 is patterned by lithography and etching. As a result, an upper via hole 23b communicating with the lower via hole 23a and exposing the upper surface of the contact plug 23A is formed. The upper via hole 23b is formed with a smaller aspect ratio than the lower via hole 23a. Similarly, upper via holes 21b, 22b, and 24b are formed.

続いて、図5(c)に示すように、バリア膜29を形成する。
詳細には、スパッタ法により、バリア導電材料として例えばTiNを用いて、図5(b)に示すように、半導体基板1をスパッタターゲット30のスパッタリング面30a(の法線方向)に対して傾斜させて配置し、半導体基板1を回転させながら、スパッタ成膜を行う。この場合、スパッタリング面に対して、平面視で上部ビアホール23bの底面の一部が露出する角度(底面の全てが見える角度よりも大きく、底面が全く見えなくなる角度よりも小さい角度)に当該底面を傾斜させる。この傾斜角度は、上部ビアホールのアスペクト比によって変化する。上部ビアホール23bの底面の一部がスパッタリング面30aから見えるように配置するには、以下の式で規定される最大許容角度よりも小さい必要がある。
Subsequently, as shown in FIG. 5C, a barrier film 29 is formed.
Specifically, by sputtering, for example, using TiN as a barrier conductive material, the semiconductor substrate 1 is inclined with respect to the sputtering surface 30a (the normal direction thereof) of the sputtering target 30 as shown in FIG. The sputter film formation is performed while the semiconductor substrate 1 is rotated. In this case, with respect to the sputtering surface, the bottom surface is set to an angle at which a part of the bottom surface of the upper via hole 23b is exposed in plan view (an angle larger than an angle at which the entire bottom surface can be seen and smaller than an angle at which the bottom surface cannot be seen at all). Tilt. This inclination angle varies depending on the aspect ratio of the upper via hole. In order to arrange a part of the bottom surface of the upper via hole 23b so that it can be seen from the sputtering surface 30a, it is necessary to be smaller than the maximum allowable angle defined by the following equation.

θ=(π/2)−arctan(a/b)
φ=θ×(180/π)
θ:水平面(スパッタリング面)からの最大許容角度(ラジアン)
φ:水平面(スパッタリング面)からの最大許容角度(°)
a:上部ビアホール深さ
b:上部ビアホール径
a/b:アスペクト比
θ = (π / 2) −arctan (a / b)
φ = θ × (180 / π)
θ: Maximum allowable angle (radian) from the horizontal plane (sputtering plane)
φ: Maximum allowable angle (°) from the horizontal plane (sputtering surface)
a: upper via hole depth b: upper via hole diameter a / b: aspect ratio

図7は、上部ビアホールのアスペクト比と最大許容角度との関係を示す図((a):表、(b):グラフ)である。
本実施形態では、半導体基板1のスパッタリング面30aに対する傾斜角度αを、
0°<α≦φ
とする必要がある。スパッタリング面30aに対して上部ビアホール23bの底面が見える状態でなければ、上部ビアホール23bの底面にバリア膜が形成されず、次工程のWの成膜において埋め込み不良が生じ易くなる。そのため、上部ビアホール23bの底面は必ずスパッタリング面30aから見える角度に設定する必要がある。
FIG. 7 is a diagram ((a): table, (b): graph) showing the relationship between the aspect ratio of the upper via hole and the maximum allowable angle.
In the present embodiment, the inclination angle α with respect to the sputtering surface 30a of the semiconductor substrate 1 is
0 ° <α ≦ φ
It is necessary to. If the bottom surface of the upper via hole 23b is not visible with respect to the sputtering surface 30a, a barrier film is not formed on the bottom surface of the upper via hole 23b, and burying defects are likely to occur in the subsequent W film formation. Therefore, the bottom surface of the upper via hole 23b must be set to an angle that can be seen from the sputtering surface 30a.

また、スパッタリングにおけるスパッタリング粒子の直進性は問わないが、アスペクト比が大きい上部ビアホールに対しては、直進性のあるスパッタリング手法の方が好ましい。一方、アスペクト比の低い上部ビアホールに対しては、直進性の希薄なスパッタリング手法の方が好ましい。   Further, although the rectilinearity of the sputtered particles in the sputtering is not questioned, the rectilinear sputtering method is preferable for the upper via hole having a large aspect ratio. On the other hand, for an upper via hole having a low aspect ratio, a straight sputtering thin sputtering method is preferable.

当該スパッタリングにより、図5(b)のように、TiNのスパッタリング粒子30bが上部ビアホール23bの内壁面(側面及び底面)を覆うように堆積され、バリア膜29が形成される。ここで、上部ビアホール23bの底面については、スパッタリング粒子30bが空洞27内に入り込むことなく底面のW26の上面を覆って空洞27上が閉塞される。バリア膜29は、上部ビアホール23bの底面では、中央部から端部に向かうほど漸減する厚みに形成されており、例えば中央部の最も厚い部位で空洞27上を閉塞している。   As shown in FIG. 5B, the sputtering particles 30b of TiN are deposited by the sputtering so as to cover the inner wall surfaces (side surfaces and bottom surface) of the upper via hole 23b, and the barrier film 29 is formed. Here, with respect to the bottom surface of the upper via hole 23 b, the sputtered particles 30 b do not enter the cavity 27, but cover the upper surface of the bottom W 26 and close the cavity 27. The barrier film 29 is formed on the bottom surface of the upper via hole 23b so as to gradually decrease from the central portion toward the end portion.

バリア膜29は、上部ビアホール21b,22b,24bにも、これらの内壁面(側面及び底面)を覆うように形成される。なお、上部ビアホール21b,22bを覆い上部ビアホール23b,24bを開口するマスクを形成して上記のスパッタリングを行い、上部ビアホール23b,24bのみにバリア膜を形成することも可能である。この場合、上部ビアホール21b,22bには、傾斜角度を設けない通常のスパッタリングにより側面及び底面に略均一な厚みのバリア膜を形成することができる。   The barrier film 29 is also formed in the upper via holes 21b, 22b, and 24b so as to cover these inner wall surfaces (side surfaces and bottom surface). It is also possible to form a mask covering the upper via holes 21b and 22b and forming the mask for opening the upper via holes 23b and 24b, and performing the above sputtering to form a barrier film only on the upper via holes 23b and 24b. In this case, a barrier film having a substantially uniform thickness can be formed on the side and bottom surfaces of the upper via holes 21b and 22b by normal sputtering without providing an inclination angle.

続いて、図6(a)に示すように、例えばCVD法により、バリア膜29を介して上部ビアホール23b内を埋め込むように、バリア膜29上に高融点金属、例えばW31を堆積する。同様に、上部ビアホール21b,22b,24bも、バリア膜29を介してW31で埋め込まれる。上部ビアホール23bは、下部ビアホール23aに比べてアスペクト比が小さいため、W31で完全に充填されて内部に空洞が生じることはない。上部ビアホール21b,22b,24bも同様である。   Subsequently, as shown in FIG. 6A, a refractory metal such as W31 is deposited on the barrier film 29 so as to fill the upper via hole 23b via the barrier film 29 by, eg, CVD. Similarly, the upper via holes 21 b, 22 b and 24 b are also filled with W 31 through the barrier film 29. Since the upper via hole 23b has an aspect ratio smaller than that of the lower via hole 23a, the upper via hole 23b is completely filled with W31 and no cavity is generated inside. The same applies to the upper via holes 21b, 22b, and 24b.

続いて、図6(b)に示すように、例えばCMP法により、層間絶縁膜28の表面上に存する余剰のバリア膜29及びW31を研磨除去する。これにより、上部ビアホール23b内をバリア膜29を介してW31で充填する上部コンタクトプラグ23Bが形成される。同様に、上部ビアホール21b,22b,24b内をバリア膜29を介してW31で充填する上部コンタクトプラグ21B,22B,24Bが形成される。以上により、コンタクトプラグ21,22,23,24が形成される。   Subsequently, as shown in FIG. 6B, excess barrier film 29 and W31 existing on the surface of the interlayer insulating film 28 are removed by polishing, for example, by CMP. As a result, the upper contact plug 23B filling the upper via hole 23b with W31 via the barrier film 29 is formed. Similarly, upper contact plugs 21B, 22B, and 24B that fill the inside of the upper via holes 21b, 22b, and 24b with W31 through the barrier film 29 are formed. Thus, contact plugs 21, 22, 23, and 24 are formed.

そして、図3(b)に示すように、各配線35を形成する。
詳細には、先ず、コンタクトプラグ21〜24上を覆うように、層間絶縁膜28上の全面にTi膜32a及びTiN膜32bを含む下部バリア膜32、アルミニウム銅合金膜33、及びTi膜34a及びTiN膜34bを含む上部バリア膜34を順次積層する。
下部バリア膜32、アルミニウム銅合金膜33、及び上部バリア膜34をリソグラフィー及びエッチングによりパターニングする。以上により、コンタクトプラグ21〜24と接続されてなる各配線35が形成される。
しかる後、更なる層間絶縁膜や上層配線の形成等を経て、本実施形態による半導体装置が形成される。
Then, as shown in FIG. 3B, each wiring 35 is formed.
Specifically, first, the lower barrier film 32 including the Ti film 32a and the TiN film 32b, the aluminum copper alloy film 33, the Ti film 34a, and the entire surface on the interlayer insulating film 28 so as to cover the contact plugs 21 to 24, The upper barrier film 34 including the TiN film 34b is sequentially stacked.
The lower barrier film 32, the aluminum copper alloy film 33, and the upper barrier film 34 are patterned by lithography and etching. As described above, each wiring 35 connected to the contact plugs 21 to 24 is formed.
Thereafter, the semiconductor device according to the present embodiment is formed through the formation of further interlayer insulating films and upper layer wirings.

本実施形態では、上部コンタクトプラグ23B,24Bでは、空洞27はバリア膜29によりその上部が確実に閉塞されている。コンタクトプラグ21〜24の配線35との接続部分である上部コンタクトプラグ21B〜24Bには空洞が生じていない(図6(c)にコンタクトプラグ23の周辺のみを示す。)。そのため、配線35は、配線材料が空洞内に落ち込むことなく上部コンタクトプラグ21B〜24B上で良好な状態で保持される。このように、本実施形態によれば、コンタクトプラグ23,24内に空洞27が形成される場合でも、配線信頼性の高い半導体装置が実現する。   In the present embodiment, in the upper contact plugs 23 </ b> B and 24 </ b> B, the upper portion of the cavity 27 is reliably closed by the barrier film 29. Cavities are not generated in the upper contact plugs 21B to 24B, which are connection portions of the contact plugs 21 to 24 with the wiring 35 (only the periphery of the contact plug 23 is shown in FIG. 6C). Therefore, the wiring 35 is held in a good state on the upper contact plugs 21B to 24B without the wiring material falling into the cavity. Thus, according to the present embodiment, a semiconductor device with high wiring reliability is realized even when the cavity 27 is formed in the contact plugs 23 and 24.

[第2の実施形態]
本実施形態では、第1の実施形態と同様に、強誘電体キャパシタを備えた半導体装置を例示するが、コンタクトプラグの構成が異なる点で第1の実施形態と相違する。図8〜図9は、第2の実施形態による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。なお、第1の実施形態と同様の構成部材については同じ参照符号を付し、詳しい説明を省略する。
[Second Embodiment]
In the present embodiment, a semiconductor device including a ferroelectric capacitor is illustrated as in the first embodiment, but differs from the first embodiment in that the configuration of the contact plug is different. 8 to 9 are schematic cross-sectional views showing main steps of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment. Note that the same constituent members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

先ず、第1の実施形態と同様に、図1(a)〜図2(b)の諸工程を行う。このとき、強誘電体キャパシタを覆う水素バリア膜18及び層間絶縁膜19,20が形成される。   First, similarly to the first embodiment, the processes of FIGS. 1A to 2B are performed. At this time, a hydrogen barrier film 18 and interlayer insulating films 19 and 20 covering the ferroelectric capacitor are formed.

続いて、図8(a)に示すように、下部線状溝41a,42a,43a,44aを形成する。
詳細には、先ず、リソグラフィー及びエッチングにより、水素バリア膜18及び層間絶縁膜19,20をパターニングする。当該パターニングでは、例えば図8(a)の奥行き方向に伸びる線状の溝が形成される。これにより、強誘電体キャパシタの上部電極17の表面の一部及び下部電極15の表面の一部をそれぞれ露出させる下部線状溝41a,42aが形成される。
次に、リソグラフィー及びエッチングにより、酸化防止膜12、緩衝膜13、水素バリア膜18、及び層間絶縁膜19,20を形成する。これにより、コンタクトプラグ11A,11Bの各表面を露出させる下部線状溝43a,44aが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 8A, lower linear grooves 41a, 42a, 43a, and 44a are formed.
Specifically, first, the hydrogen barrier film 18 and the interlayer insulating films 19 and 20 are patterned by lithography and etching. In the patterning, for example, a linear groove extending in the depth direction of FIG. As a result, lower linear grooves 41a and 42a that expose a part of the surface of the upper electrode 17 and a part of the surface of the lower electrode 15 of the ferroelectric capacitor are formed.
Next, the antioxidant film 12, the buffer film 13, the hydrogen barrier film 18, and the interlayer insulating films 19 and 20 are formed by lithography and etching. Thus, lower linear grooves 43a and 44a that expose the surfaces of the contact plugs 11A and 11B are formed.

本実施形態では、下部線状溝41a,42a,43a,44aを形成する場合を例示するが、これらのうちのいずれかを下部線状溝とし、他のものを第1の実施形態と同様の下部ビアホールとすることも考えられる。また、これらの下部線状溝(及び下部ビアホール)と共に、例えば図8(a)の奥行き方向に伸びる、所謂ガードリングとなる環状の溝を形成しても良い。   In the present embodiment, the case where the lower linear grooves 41a, 42a, 43a, and 44a are formed is illustrated, but one of these is a lower linear groove and the other is the same as in the first embodiment. A lower via hole may be considered. Moreover, you may form the cyclic | annular groove | channel used as what is called a guard ring extended in the depth direction of Fig.8 (a), for example with these lower linear grooves (and lower via holes).

続いて、図8(b)に示すように、強誘電体キャパシタの上部電極17と接続されるコンタクト構造41、下部電極15と接続されるコンタクト構造42、及びMOSトランジスタのソース/ドレイン領域17a,17bと接続されるコンタクト構造43及び44を形成する。これらのコンタクト構造のうち、例えばコンタクト構造43,44は、強誘電体キャパシタを有する層間絶縁膜19等に形成されるため、そのアスペクト比は他のコンタクト構造よりも格段に大きい。そのため、下部線状溝の例えばWによる埋め込みが不十分となり、内部に空洞が形成される。本実施形態では、以下で説明するように、この空洞を効果的に覆い、コンタクト不良を抑止する。   Subsequently, as shown in FIG. 8B, a contact structure 41 connected to the upper electrode 17 of the ferroelectric capacitor, a contact structure 42 connected to the lower electrode 15, and a source / drain region 17a of the MOS transistor, Contact structures 43 and 44 connected to 17b are formed. Among these contact structures, for example, the contact structures 43 and 44 are formed in the interlayer insulating film 19 or the like having a ferroelectric capacitor, so that the aspect ratio is much larger than other contact structures. For this reason, the lower linear groove is not sufficiently filled with, for example, W, and a cavity is formed inside. In this embodiment, as will be described below, this cavity is effectively covered to prevent contact failure.

コンタクト構造43は、アスペクト比の大きい下部コンタクト構造43Aと、これよりもアスペクト比の小さい上部コンタクト構造43Bとが接続されてなる。同様に、コンタクト構造44は、アスペクト比の大きい下部コンタクト構造44Aと、これよりもアスペクト比の小さい上部コンタクト構造44Bとが接続されてなる。コンタクト構造43と適合させるべく、コンタクト構造41も同様に、下部及び上部コンタクト構造41A,41Bから構成されている。コンタクト構造42も同様に、下部及び上部コンタクト構造42A,42Bから構成されている。   The contact structure 43 is formed by connecting a lower contact structure 43A having a large aspect ratio and an upper contact structure 43B having a smaller aspect ratio. Similarly, the contact structure 44 is formed by connecting a lower contact structure 44A having a large aspect ratio and an upper contact structure 44B having a smaller aspect ratio. In order to be matched with the contact structure 43, the contact structure 41 is similarly composed of lower and upper contact structures 41A and 41B. Similarly, the contact structure 42 includes lower and upper contact structures 42A and 42B.

図9〜図11は、コンタクト構造43の部分を拡大して、本実施形態における主要工程を示す概略断面図である。以下、コンタクト構造43の形成工程を説明するが、コンタクト構造44もコンタクト構造43と同様に形成される。コンタクト構造41,42には内部に空洞が形成されない場合を想定しており、この場合でもコンタクト構造43と同じ形成工程で形成される。   9 to 11 are schematic cross-sectional views showing the main steps in the present embodiment by enlarging the portion of the contact structure 43. Hereinafter, although the formation process of the contact structure 43 will be described, the contact structure 44 is formed in the same manner as the contact structure 43. It is assumed that the contact structures 41 and 42 do not have cavities formed therein. Even in this case, the contact structures 41 and 42 are formed in the same formation process as the contact structure 43.

図9(a)に示すように、バリア膜45及びW(タングステン)46を形成する。
詳細には、先ず、例えばCVD法により、下部線状溝43aの内壁面(側面及び底面)を覆うように、層間絶縁膜20上にバリア導電材料である例えばTiN又はTaN等を堆積し、バリア膜45を形成する。下部線状溝41a,42a,44aについても同様である。
次に、バリア膜45を介して下部線状溝43a内を埋め込むように、バリア膜45上に高融点金属、例えばW46を堆積する。このとき、下部線状溝41a,42aはW46で良好に充填されるが、下部線状溝43a,44aはアスペクト比が下部線状溝41a,42aよりも大きいために、内部に空洞47が生成される。
As shown in FIG. 9A, a barrier film 45 and W (tungsten) 46 are formed.
Specifically, first, a barrier conductive material such as TiN or TaN is deposited on the interlayer insulating film 20 so as to cover the inner wall surface (side surface and bottom surface) of the lower linear groove 43a by, for example, the CVD method. A film 45 is formed. The same applies to the lower linear grooves 41a, 42a, and 44a.
Next, a refractory metal, for example, W46 is deposited on the barrier film 45 so as to fill the lower linear groove 43a through the barrier film 45. At this time, the lower linear grooves 41a and 42a are satisfactorily filled with W46. However, since the lower linear grooves 43a and 44a have a larger aspect ratio than the lower linear grooves 41a and 42a, a cavity 47 is generated inside. Is done.

続いて、図9(b)に示すように、例えばCMP法により、層間絶縁膜20の表面上に存する余剰のバリア膜45及びW46を研磨除去する。以上により、コンタクト構造43Aが形成される。コンタクト構造43Aでは、CMPの研磨により、空洞47がW46の上面から露出した状態となる。同様に、空洞47がW46の上面から露出した内部に空洞を有するコンタクト構造44Aと、ここでは内部に空洞が生じないコンタクト構造41A,42Aとが形成される。   Subsequently, as shown in FIG. 9B, excess barrier film 45 and W46 existing on the surface of the interlayer insulating film 20 are removed by polishing, for example, by CMP. As a result, the contact structure 43A is formed. In the contact structure 43A, the cavity 47 is exposed from the upper surface of W46 by CMP polishing. Similarly, contact structures 44A having cavities 47 in which the cavities 47 are exposed from the upper surface of W46, and contact structures 41A and 42A in which no cavities are formed are formed.

続いて、図9(c)に示すように、層間絶縁膜48を形成する。
詳細には、シラン、N2Oガス又はN2を含む混合ガスを用いたプラズマCVD法を用いて、層間絶縁膜20上にSiO2を主として含む層間絶縁膜48を形成する。層間絶縁膜48は、例えば200nm程度の厚みに成膜される。成膜後、N2Oガス又はN2ガス等を用いて発生させたプラズマ雰囲気中で層間絶縁膜48の熱処理を行うことが好ましい。この熱処理により、層間絶縁膜48の内部に含まれる水分が除去されると共に層間絶縁膜48の膜質が変化し、層間絶縁膜48の内部への水素及び水分の侵入が抑制される。
Subsequently, as shown in FIG. 9C, an interlayer insulating film 48 is formed.
Specifically, the interlayer insulating film 48 mainly containing SiO 2 is formed on the interlayer insulating film 20 by using a plasma CVD method using a mixed gas containing silane, N 2 O gas, or N 2 . The interlayer insulating film 48 is formed to a thickness of about 200 nm, for example. After the film formation, the interlayer insulating film 48 is preferably heat-treated in a plasma atmosphere generated using N 2 O gas or N 2 gas. By this heat treatment, moisture contained in the interlayer insulating film 48 is removed and the film quality of the interlayer insulating film 48 is changed, and entry of hydrogen and moisture into the interlayer insulating film 48 is suppressed.

続いて、図10(a)に示すように、上部線状溝43bを形成する。
詳細には、先ず、リソグラフィー及びエッチングにより、層間絶縁膜48をパターニングする。これにより、下部線状溝43aと連通してコンタクト構造43Aの上面を露出させる上部線状溝43bが形成される。上部線状溝43bは、下部線状溝43aよりも小さなアスペクト比に形成される。同様に、上部線状溝41b,42b,44bが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 10A, an upper linear groove 43b is formed.
Specifically, first, the interlayer insulating film 48 is patterned by lithography and etching. As a result, the upper linear groove 43b communicating with the lower linear groove 43a and exposing the upper surface of the contact structure 43A is formed. The upper linear groove 43b is formed with a smaller aspect ratio than the lower linear groove 43a. Similarly, upper linear grooves 41b, 42b, and 44b are formed.

続いて、図10(c)に示すように、バリア膜49を形成する。
詳細には、スパッタ法により、バリア導電材料として例えばTiNを用いて、図10(b)に示すように、半導体基板1をスパッタターゲット30のスパッタリング面30a(の法線方向)に対して傾斜させて配置し、半導体基板1を回転させながら、スパッタ成膜を行う。この場合、スパッタリング面に対して、平面視で上部線状溝43bの底面の一部が露出する角度(底面の全てが見える角度よりも大きく、底面が全く見えなくなる角度よりも小さい角度)に当該底面を傾斜させる。この傾斜角度は、上部ビアホールのアスペクト比によって変化する。上部線状溝43bの底面の一部がスパッタリング面30aから見えるように配置するには、以下の式で規定される最大許容角度よりも小さい必要がある。
Subsequently, as shown in FIG. 10C, a barrier film 49 is formed.
Specifically, by using, for example, TiN as a barrier conductive material by sputtering, the semiconductor substrate 1 is inclined with respect to the sputtering surface 30a (normal direction) of the sputtering target 30 as shown in FIG. The sputter film formation is performed while the semiconductor substrate 1 is rotated. In this case, the angle at which a part of the bottom surface of the upper linear groove 43b is exposed in a plan view with respect to the sputtering surface (an angle larger than an angle at which the entire bottom surface can be seen and smaller than an angle at which the bottom surface cannot be seen at all). Tilt the bottom. This inclination angle varies depending on the aspect ratio of the upper via hole. In order to arrange a part of the bottom surface of the upper linear groove 43b so as to be visible from the sputtering surface 30a, it is necessary to be smaller than the maximum allowable angle defined by the following equation.

θ=(π/2)−arctan(a/b)
φ=θ×(180/π)
θ:水平面(スパッタリング面)からの最大許容角度(ラジアン)
φ:水平面(スパッタリング面)からの最大許容角度(°)
a:上部ビアホール深さ
b:上部ビアホール径
a/b:アスペクト比
θ = (π / 2) −arctan (a / b)
φ = θ × (180 / π)
θ: Maximum allowable angle (radian) from the horizontal plane (sputtering plane)
φ: Maximum allowable angle (°) from the horizontal plane (sputtering surface)
a: upper via hole depth b: upper via hole diameter a / b: aspect ratio

本実施形態では、半導体基板1のスパッタリング面30aに対する傾斜角度αを、
0°<α≦φ
とする必要がある。スパッタリング面30aに対して上部線状溝43bの底面が見える状態でなければ、上部線状溝43bの底面にバリア膜が形成されず、次工程のWの成膜において埋め込み不良が生じ易くなる。そのため、上部線状溝43bの底面は必ずスパッタリング面30aから見える角度に設定する必要がある。
In the present embodiment, the inclination angle α with respect to the sputtering surface 30a of the semiconductor substrate 1 is
0 ° <α ≦ φ
It is necessary to. If the bottom surface of the upper linear groove 43b is not visible with respect to the sputtering surface 30a, a barrier film is not formed on the bottom surface of the upper linear groove 43b, and burying defects are likely to occur in the subsequent W film formation. Therefore, the bottom surface of the upper linear groove 43b must be set to an angle that can be seen from the sputtering surface 30a.

また、スパッタリングにおけるスパッタリング粒子の直進性は問わないが、アスペクト比が大きい上部ビアホールに対しては、直進性のあるスパッタリング手法の方が好ましい。一方、アスペクト比の低い上部ビアホールに対しては、直進性の希薄なスパッタリング手法の方が好ましい。   Further, although the rectilinearity of the sputtered particles in the sputtering is not questioned, the rectilinear sputtering method is preferable for the upper via hole having a large aspect ratio. On the other hand, for an upper via hole having a low aspect ratio, a straight sputtering thin sputtering method is preferable.

当該スパッタリングにより、図10(b)のように、TiNのスパッタリング粒子30bが上部線状溝43bの内壁面(側面及び底面)を覆うように堆積され、バリア膜49が形成される。ここで、上部線状溝43bの底面については、スパッタリング粒子30bが空洞27内に入り込むことなく底面のW26の上面を覆って空洞47上が閉塞される。バリア膜49は、上部線状溝43bの底面では、中央部から端部に向かうほど漸減する厚みに形成されており、例えば中央部の最も厚い部位で空洞47上を閉塞している。   As shown in FIG. 10B, the sputtering particles 30b of TiN are deposited by the sputtering so as to cover the inner wall surfaces (side surfaces and bottom surface) of the upper linear groove 43b, and the barrier film 49 is formed. Here, with respect to the bottom surface of the upper linear groove 43b, the sputtered particles 30b do not enter the cavity 27, but cover the upper surface of the bottom surface W26 and the cavity 47 is blocked. The barrier film 49 is formed on the bottom surface of the upper linear groove 43b so as to gradually decrease from the central portion toward the end portion. For example, the barrier film 49 closes the cavity 47 at the thickest portion of the central portion.

バリア膜49は、上部線状溝41b,42b,44bにも、これらの内壁面(側面及び底面)を覆うように形成される。なお、上部線状溝41b,42bを覆い上部線状溝43b,44bを開口するマスクを形成して上記のスパッタリングを行い、上部線状溝43b,44bのみにバリア膜を形成することも可能である。この場合、上部線状溝41b,42bには、傾斜角度を設けない通常のスパッタリングにより側面及び底面に略均一な厚みのバリア膜を形成することができる。   The barrier film 49 is also formed in the upper linear grooves 41b, 42b, and 44b so as to cover these inner wall surfaces (side surfaces and bottom surface). It is also possible to form a mask covering the upper linear grooves 41b and 42b and forming the mask for opening the upper linear grooves 43b and 44b, and performing the above sputtering to form a barrier film only in the upper linear grooves 43b and 44b. is there. In this case, a barrier film having a substantially uniform thickness can be formed on the side and bottom surfaces of the upper linear grooves 41b and 42b by normal sputtering without providing an inclination angle.

続いて、図11(a)に示すように、例えばCVD法により、バリア膜49を介して上部線状溝43b内を埋め込むように、バリア膜49上に高融点金属、例えばW51を堆積する。同様に、上部線状溝41b,42b,44bも、バリア膜49を介してW51で埋め込まれる。上部線状溝43bは、下部線状溝43aに比べてアスペクト比が小さいため、W51で完全に充填されて内部に空洞が生じることはない。上部線状溝41b,42b,44bも同様である。   Subsequently, as shown in FIG. 11A, a refractory metal such as W51 is deposited on the barrier film 49 so as to fill the upper linear groove 43b via the barrier film 49 by, for example, the CVD method. Similarly, the upper linear grooves 41 b, 42 b and 44 b are also filled with W 51 through the barrier film 49. Since the upper linear groove 43b has a smaller aspect ratio than that of the lower linear groove 43a, the upper linear groove 43b is completely filled with W51 and does not generate a cavity inside. The same applies to the upper linear grooves 41b, 42b, and 44b.

続いて、図11(b)に示すように、例えばCMP法により、層間絶縁膜48の表面上に存する余剰のバリア膜49及びW51を研磨除去する。これにより、上部線状溝43b内をバリア膜49を介してW51で充填する上部コンタクト構造43Bが形成される。同様に、上部線状溝41b,42b,44b内をバリア膜49を介してW51で充填する上部コンタクト構造41B,42B,44Bが形成される。以上により、コンタクト構造41,42,43,44が形成される。   Subsequently, as shown in FIG. 11B, excess barrier film 49 and W51 existing on the surface of the interlayer insulating film 48 are removed by polishing, for example, by CMP. As a result, an upper contact structure 43B that fills the upper linear groove 43b with W51 through the barrier film 49 is formed. Similarly, upper contact structures 41B, 42B, and 44B that fill the upper linear grooves 41b, 42b, and 44b with W51 through the barrier film 49 are formed. Thus, contact structures 41, 42, 43, and 44 are formed.

そして、図8(c)に示すように、各配線55を形成する。
詳細には、先ず、コンタクト構造41〜44上を覆うように、層間絶縁膜48上の全面にTi膜52a及びTiN膜52bを含む下部バリア膜32、アルミニウム銅合金膜53、及びTi膜54a及びTiN膜54bを含む上部バリア膜54を順次積層する。
下部バリア膜52、アルミニウム銅合金膜53、及び上部バリア膜54をリソグラフィー及びエッチングによりパターニングする。以上により、コンタクト構造41〜44と接続されてなる各配線55が形成される。
しかる後、更なる層間絶縁膜や上層配線の形成等を経て、本実施形態による半導体装置が形成される。
Then, as shown in FIG. 8C, each wiring 55 is formed.
Specifically, first, the lower barrier film 32 including the Ti film 52a and the TiN film 52b, the aluminum copper alloy film 53, the Ti film 54a, and the entire surface on the interlayer insulating film 48 so as to cover the contact structures 41 to 44, The upper barrier film 54 including the TiN film 54b is sequentially stacked.
The lower barrier film 52, the aluminum copper alloy film 53, and the upper barrier film 54 are patterned by lithography and etching. As a result, the wirings 55 connected to the contact structures 41 to 44 are formed.
Thereafter, the semiconductor device according to the present embodiment is formed through the formation of further interlayer insulating films and upper layer wirings.

本実施形態では、上部コンタクト構造43B,44Bでは、空洞47はバリア膜49によりその上部が確実に閉塞されている。コンタクト構造41〜44の配線55との接続部分である上部コンタクト構造41B〜44Bには空洞が生じていない(図11(c)にコンタクト構造43の周辺のみを示す。)。そのため、配線55は、配線材料が空洞内に落ち込むことなく上部コンタクト構造41B〜44B上で良好な状態で保持される。このように、本実施形態によれば、コンタクト構造43,44内に空洞47が形成される場合でも、配線信頼性の高い半導体装置が実現する。   In the present embodiment, in the upper contact structures 43B and 44B, the upper portion of the cavity 47 is reliably closed by the barrier film 49. Cavities are not generated in the upper contact structures 41B to 44B, which are connection parts of the contact structures 41 to 44 with the wiring 55 (FIG. 11C shows only the periphery of the contact structure 43). Therefore, the wiring 55 is held in a good state on the upper contact structures 41B to 44B without the wiring material falling into the cavity. Thus, according to the present embodiment, a semiconductor device with high wiring reliability is realized even when the cavity 47 is formed in the contact structures 43 and 44.

1 半導体装置
2 素子分離領域
3 ゲート絶縁膜
4 ゲート電極
5 LDD領域
6 サイドウォール
7 ソース/ドレイン領域
8 シリサイド層
9 カバー膜
10,19,20,28,48 層間絶縁膜
11a コンタクトホール
11b,25,29,45,49 バリア膜
11c,26,31,46,51 W(タングステン)
11A,11B コンタクトプラグ
12 酸化防止膜
13 緩衝膜
14 密着層
15 下部電極
16 強誘電体膜
17 上部電極
18 水素バリア膜
21,22,23,24 コンタクトプラグ
21A,22A,23A,24A 下部コンタクトプラグ
21B,22B,23B,24b 上部コンタクトプラグ
21a,22a,23a,24a 下部ビアホール
21b,22b,23b,24b 上部ビアホール
27,47 空洞
30 スパッタターゲット
30a スパッタリング面
30b スパッタリング粒子
32,52 下部バリア膜
34,54 上部バリア膜
32a,34a,52a,54a Ti膜
32b,34b,52b,54b TiN膜
33,53 アルミニウム銅合金膜
35,55 配線
41,42,43,44 コンタクト構造
41A,42A,43A,44A 下部コンタクト構造
41B,42B,43B,44b 上部コンタクト構造
41a,42a,43a,44a 下部線状溝
41b,42b,43b,44b 上部線状溝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device 2 Element isolation region 3 Gate insulating film 4 Gate electrode 5 LDD region 6 Side wall 7 Source / drain region 8 Silicide layer 9 Cover film 10, 19, 20, 28, 48 Interlayer insulating film 11a Contact hole 11b, 25, 29, 45, 49 Barrier film 11c, 26, 31, 46, 51 W (tungsten)
11A, 11B Contact plug 12 Antioxidation film 13 Buffer film 14 Adhesion layer 15 Lower electrode 16 Ferroelectric film 17 Upper electrode 18 Hydrogen barrier films 21, 22, 23, 24 Contact plugs 21A, 22A, 23A, 24A Lower contact plug 21B , 22B, 23B, 24b Upper contact plugs 21a, 22a, 23a, 24a Lower via holes 21b, 22b, 23b, 24b Upper via holes 27, 47 Cavity 30 Sputter target 30a Sputtering surface 30b Sputtered particles 32, 52 Lower barrier films 34, 54 Upper Barrier films 32a, 34a, 52a, 54a Ti films 32b, 34b, 52b, 54b TiN films 33, 53 Aluminum copper alloy films 35, 55 Wiring 41, 42, 43, 44 Contact structures 41A, 42A, 43A, 4 A lower contact structure 41B, 42B, 43B, 44b upper contact structure 41a, 42a, 43a, 44a lower linear grooves 41b, 42b, 43b, 44b upper linear groove

Claims (7)

第1絶縁膜に形成された第1開口を第1導電材料で埋め込む工程と、
前記第1開口を埋め込む前記第1導電材料の上面から、前記第1導電材料内に形成された空洞を露出させる工程と、
前記第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成し、前記第2絶縁膜に前記第1開口と連通する第2開口を形成する工程と、
スパッタ法により、第2導電材料で前記第2開口の内壁面を覆って前記空洞上を閉塞する工程と、
前記第2開口内を、前記第2導電材料を介して第3導電材料で埋め込む工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Filling the first opening formed in the first insulating film with a first conductive material;
Exposing a cavity formed in the first conductive material from an upper surface of the first conductive material filling the first opening;
Forming a second insulating film on the first insulating film and forming a second opening communicating with the first opening in the second insulating film;
A step of covering the inner surface of the second opening with a second conductive material and closing the cavity by a sputtering method;
Filling the second opening with a third conductive material through the second conductive material. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
スパッタターゲットのスパッタリング面に対して、平面視で前記第2開口の底面の一部が露出する角度に前記底面を傾斜させて、前記底面を当該底面内で回転させながらスパッタリングし、前記第2導電材料を堆積することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The second conductive layer is sputtered while the bottom surface is inclined at an angle at which a part of the bottom surface of the second opening is exposed in a plan view with respect to the sputtering surface of the sputtering target, and the bottom surface is rotated within the bottom surface. 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a material is deposited. 前記第2導電材料は、前記第2開口の前記底面において、中央部から端部に向かうほど漸減する厚みに形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second conductive material is formed to have a thickness that gradually decreases from a central portion toward an end portion of the bottom surface of the second opening. 前記第2開口は、前記第1開口よりもアスペクト比が小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second opening has an aspect ratio smaller than that of the first opening. 第1絶縁膜に形成された第1開口を埋め込み、内部に空洞を有する第1導電材料と、
前記第1絶縁膜上の第2絶縁膜に形成され、前記第1開口と連通する第2開口の内壁面を覆って前記空洞上を閉塞する第1導電材料と、
前記第2開口内を前記第2導電材料を介して埋め込む第3導電材料と
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A first conductive material filling a first opening formed in the first insulating film and having a cavity inside;
A first conductive material formed on a second insulating film on the first insulating film and covering an inner wall surface of a second opening communicating with the first opening and closing the cavity;
A semiconductor device comprising: a third conductive material that fills the second opening with the second conductive material interposed therebetween.
前記第2導電材料は、前記第2開口の底面において、中央部から端部に向かうほど漸減する厚みとされていることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 5, wherein the second conductive material has a thickness that gradually decreases from a central portion toward an end portion at a bottom surface of the second opening. 前記第2開口は、前記第1開口よりもアスペクト比が小さいことを特徴とする請求項5又は6に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 5, wherein the second opening has an aspect ratio smaller than that of the first opening.
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