JP2019134116A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
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.
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.
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
Specifically, first, the
Next, ion implantation for forming a well, a channel stop diffusion layer, and the like is performed in the element formation region of the
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
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
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
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
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
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
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
As a result, a MOS transistor is formed on the
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Si3N4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
Specifically, first, an insulating material such as Si 3 N 4 is deposited on the entire surface of the
Next, an insulator such as SiO 2 is deposited on the
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
Next, a barrier conductive material such as TiN or TaN is deposited on the
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
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,
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Si3N4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
Specifically, first, an insulating material such as Si 3 N 4 is deposited on the
Next, an insulator such as SiO 2 is deposited on the
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Al2O3膜を形成する。次に、Al2O3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、Al2O3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
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Al2O3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
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
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
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
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
Specifically, first, the
Next, the
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
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
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
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
Specifically, first, for example, TiN or TaN, which is a barrier conductive material, is deposited on the
Next, a refractory metal such as W26 is deposited on the
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
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
Specifically, the
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
Specifically, first, the
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
Specifically, by sputtering, for example, using TiN as a barrier conductive material, the
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
0 ° <α ≦ φ
It is necessary to. If the bottom surface of the upper via
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
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
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
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,
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
Specifically, first, the
The
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
[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
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
Specifically, first, the
Next, the
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
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
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
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
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
Specifically, first, a barrier conductive material such as TiN or TaN is deposited on the
Next, a refractory metal, for example, W46 is deposited on the
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,
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
Specifically, the
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
Specifically, first, the
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
Specifically, by using, for example, TiN as a barrier conductive material by sputtering, the
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
0 ° <α ≦ φ
It is necessary to. If the bottom surface of the upper
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
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
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
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,
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
Specifically, first, the
The
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
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
11A, 11B Contact plug 12
Claims (7)
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:
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.
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