JP3715502B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、通常ダマシン(damascene)配線と呼ばれる半導体装置の金属埋め込み配線技術に係り、特にキャパシタ、抵抗体、及びインダクタ等の受動素子、並びにこれらのシールド層が前記金属埋め込み多層配線の配線層中に組み込まれた半導体装置とその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、MIM (Metal-Insulator-Metal)型のキャパシタ、抵抗体、及びインダクタ等の受動素子は、トランジスタ等の能動素子と共に半導体装置の構成要素として多く用いられてきた。
【0003】
しかし、これらの受動素子とトランジスタ等の能動素子とを同一チップ上に集積して集積密度の向上を図るとき、これらの受動素子と能動素子との間の電気的・磁気的カップリングによるクロストークの発生が問題となっていた。このため受動素子の直下部には能動素子を配置することができず、半導体装置の集積密度の向上に対する大きな障害となっていた。
【0004】
特に、通常アナログ回路に用いるインダクタは、数百ミクロン角の大きさがあり磁気誘導によるクロストークが大きいので、その直下部にはシリコン基板上にトランジスタを配置することができず、このためインダクタはアナログ回路からなる半導体装置において、チップサイズ縮小の大きな妨げとなっていた。
【0005】
また、従来広く用いられてきたSTI(Shallow Trench Isolation)領域上の導電性ポリシリコンからなる抵抗体については、STIの面積に起因するポリシリコン抵抗体のサイズの制限や、熱工程に起因する抵抗値のばらつき、及び工程数の増大等が問題となっていた。
【0006】
半導体装置の集積密度を向上するためには、平坦性に優れたダマシン配線と呼ばれる金属埋め込み多層配線技術を導入することが有力な対策とされているが、従来の金属埋め込み多層配線技術には、次に述べるような大きな製造技術上の問題点が含まれていた。
【0007】
すなわち、コンタクトホールの開口に用いた塗布形反射防止膜を除去した後に、配線溝のパターンを開口するのに必要な反射防止膜を再度塗布するという従来の方法で金属埋め込み多層配線を形成すれば、配線溝のパターンを形成する際に塗布する反射防止膜が、すでに開口されたコンタクトホールの内部に入り込むことが問題となる。
【0008】
このとき、配線溝形成用のレジスト膜をパターン形成して塗布形反射防止膜の異方性エッチングを行えば、コンタクトホール周辺における層間絶縁膜の上面を覆う塗布形反射防止膜を除去することはできるが、コンタクトホールの側壁を覆う塗布形反射防止膜は、コンタクトホールの深さ方向に沿って十分に除去することができない。
【0009】
このような状態で、配線溝を形成するための層間絶縁膜の異方性エッチングを行えば、コンタクトホール周辺の層間絶縁膜が後退する結果、コンタクトホールの内部側壁を覆う塗布形反射防止膜に接する層間絶縁膜が残留し、クラウンとよばれる薄い環状の残留物が形成される。このクラウンの形成は金属材料の埋め込みに支障を生じるばかりでなくダスト発生の原因にもなる。図5を用いて従来の金属埋め込み多層配線技術におけるクラウン発生の問題を具体的に説明する。
【0010】
図5(a)に示すように、シリコン基板1の上に例えばSiO2からなる層間絶縁膜2を形成し、その上に塗布形反射防止膜30を形成する。ここでシリコン基板1は下層の配線層であっても良い。この塗布形反射防止膜30の上にレジスト31を塗布し、RIE(Reactive Ion Etching)を用いて層間絶縁膜2に形成するコンタクトホールのパターンを開口する。
【0011】
次に図5(b)に示すように、この開口部を設けたレジスト膜31をマスクとして、塗布形反射防止膜30と層間絶縁膜2を貫通してシリコン基板1に達するコンタクトホールをRIEを用いて開口し、その後図5(c)に示すように、塗布形反射防止膜30とレジスト膜31を共にアッシングにより除去する。
【0012】
次に、図5(d)に示すように、コンタクトホールが開口された層間絶縁膜2の上に配線溝のパターンを形成するために再度塗布形反射防止膜30とレジスト膜31を塗布し、このレジスト膜31に配線溝のパターンをRIE法を用いて開口する。このとき塗布形反射防止膜30は、配線溝を開口するのに必要な層間絶縁膜の上部表面ばかりでなくコンタクトホールの内壁も覆うようになる。
【0013】
次に、図5(e)に示すように、この配線溝の開口部を設けたレジスト膜31をマスクとして層間絶縁膜2を覆う塗布形反射防止膜30をRIEにより除去する。このとき、層間絶縁膜2の上部表面を覆う塗布形反射防止膜30は除去されるが、コンタクトホールの内壁を覆う塗布形反射防止膜30は除去されずに残留する。
【0014】
引き続き、配線溝の開口部を設けたレジスト膜31をマスクとしてRIEによる異方性エッチングを継続すれば、図5(f)に示すように、層間絶縁膜2は配線溝のパターンに沿って開口されるが、コンタクトホールの内壁を覆う塗布形反射防止膜30は除去されず筒状に残され、この塗布形反射防止膜30と接している層間絶縁膜2がエッチングされずにテーパー状に残留する。
【0015】
次に、アッシングにより塗布形反射防止膜30とレジスト膜31とを除去すれば、図5(g)に示すように、配線溝の底部に形成されたコンタクトホールの開口部の周辺に、クラウンと呼ばれる層間絶縁膜2の残留物が薄く環状に形成される。
【0016】
金属埋め込み多層配線技術では、このようにして層間絶縁膜2に形成された配線溝とコンタクトホールに電気メッキ法を用いてCu等の金属材料を埋め込むのであるが、このときあらかじめ配線溝とコンタクトホールの内壁に電気メッキの電極となる金属皮膜をスパッタ又は蒸着し、これを被覆しなければならない。
【0017】
しかし、上記のようなクラウンと呼ばれる残留物がコンタクトホールの周辺部に形成されれば、電気メッキの電極となる金属皮膜がこの部分で遮断されるため、コンタクトホールの内部にメッキによる埋め込み金属を十分に形成することができない。
【0018】
このため、従来金属埋め込み多層配線を含む半導体装置を高い歩留まりで製造することは極めて困難であり、従って金属埋め込み多層配線技術は、半導体装置の集積密度の向上に対して有望視されながら、実用的な半導体装置への導入は大幅に遅れているのが現状であった。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、半導体装置の集積密度の向上を図るために、従来金属埋め込み多層配線技術を導入することが有望視されながら、現実には実用的な半導体装置への導入が大幅に遅れていた。
【0020】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、金属埋め込み多層配線技術に含まれる製造プロセス上の問題点を解決して、金属埋め込み多層配線の配線層間に受動素子を組み込むことを可能にし、かつ、これらの受動素子と半導体基板上の能動素子との間のクロストークを回避する手段を備えることにより高集積密度の半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置及びその製造方法は、金属埋め込み多層配線の配線層間に受動素子を形成し、受動素子と半導体基板上の能動素子との間にシールド層を形成することによりクロストークを防止し、これらの受動素子の直下部に能動素子を配置することにより高集積密度の半導体装置を実現することを特徴とする。
【0022】
また、このように高集積密度の半導体装置の高歩留まりな製造方法に適した金属埋め込み多層配線を可能にするため、コンタクトホールと配線溝の開口に際しSiON等の反射防止膜を共通に使用し、クラウンの生成を回避することを特徴とする。
【0023】
具体的には本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成されたキャパシタ、抵抗体、及びインダクタからなる受動素子を含む半導体装置において、前記半導体装置は金属埋め込み多層配線を具備し、前記受動素子が前記金属埋め込み多層配線の上部配線層に形成され、前記半導体基板の上面に形成された能動素子と前記受動素子との間のクロストークを回避するシールド層が、前記受動素子が形成された前記上部配線層の下部の配線層に形成されることを特徴とする。
【0024】
好ましくは前記半導体装置のキャパシタの電極と前記抵抗体の皮膜抵抗と前記インダクタのシールド層との内、少なくともいづれか2つは、同一の導電材料からなるひと続きの導電層が分割されてなることを特徴とする。
【0025】
また、好ましくは前記半導体装置において、前記キャパシタと抵抗体のシールド層、及び、前記インダクタが、前記金属埋め込み多層配線と同様な金属埋め込み手段により形成されることを特徴とする。また、前記金属埋め込み多層配線における埋め込み金属は、Cuからなることを特徴とする。
【0026】
また、好ましくは前記半導体装置のシールド層は、前記インダクタの直下部において分割配置されることを特徴とする。また、前記シールド層の直下部に前記半導体装置の能動素子が配置されることを特徴とする。
【0027】
また、好ましくは前記半導体装置の金属埋め込み多層配線において、コンタクトホールを開口する反射防止膜とこのコンタクトホールの上部に形成される配線溝を開口する反射防止膜とが同一の反射防止膜からなることを特徴とする。
【0028】
さらに好ましくは前記半導体装置において、前記同一の導電材料からなる一続きの導電層は、TaN、TiAl、TiN、及びWNのいづれか1つからなることを特徴とする。また、前記反射防止膜はSiONからなることを特徴とする。
【0029】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1の層間絶縁膜を形成する工程と、この第1の層間絶縁膜に第1の金属埋め込み配線を形成する工程と、前記第1の層間絶縁膜上に第2の層間絶縁膜を形成する工程と、この第2の層間絶縁膜に第2の金属埋め込み配線を形成する工程と、前記第2の層間絶縁膜の上面にキャパシタと抵抗体とインダクタのシールド層を形成する工程と、前記第2の層間絶縁膜上に第3の層間絶縁膜を形成する工程と、この第3の層間絶縁膜に第3の金属埋め込み配線を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法において、
前記第1の金属埋め込み配線を形成する工程は、この第1の金属埋め込み配線の一部をなす金属埋め込みシールド層を形成する工程を含み、
前記キャパシタと抵抗体とインダクタのシールド層を形成する工程は、キャパシタの電極と抵抗体の皮膜抵抗とインダクタのシールド層との内、少なくともいずれか2つを、同一の導電材料からなる一続きの導電層を分割して形成する工程を含み、
前記第3の金属埋め込み配線を形成する工程は、この第3の金属埋め込み配線の一部をなす金属埋め込みインダクタを形成する工程を含むことを特徴とする。
【0030】
前記半導体装置の製造方法において、金属埋め込み配線層を形成する工程は、半導体基板上に層間絶縁膜を堆積する工程と、この層間絶縁膜上に反射防止膜を堆積する工程と、この反射防止膜上に第1のレジスト膜を塗布する工程と、このレジスト膜にコンタクトホールのパターンを形成する工程と、前記第1のレジスト膜をマスクとして前記反射防止膜をエッチングする工程と、前記第1のレジスト膜と前記反射防止膜とをマスクとして前記層間絶縁膜をエッチングする工程と、前記第1のレジスト膜を除去する工程と、前記半導体基板上に第2のレジスト膜を塗布する工程と、この第2のレジスト膜に配線溝のパターンを形成する工程と、前記第2のレジスト膜をマスクとして前記反射防止膜をエッチングする工程と、前記第2のレジスト膜と前記反射防止膜とをマスクとして前記層間絶縁膜に、この層間絶縁膜の厚さよりも浅い配線溝を形成するエッチング工程と、前記第2のレジスト膜を除去する工程と、前記コンタクトホールと前記配線溝とに金属材料を埋め込む工程とを含むことを特徴とする。
【0031】
好ましくは前記半導体装置の製造方法は、前記層間絶縁膜上に反射防止膜を堆積する工程の替わりに、前記層間絶縁膜上に反射防止膜を塗布する工程が含まれることを特徴とする。
【0032】
また、好ましくは前記半導体装置の製造方法は、前記第2のレジスト膜を除去する工程に引き続き、前記反射防止膜を除去する工程が含まれることを特徴とする。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。図1、図2は本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の構造とその製造方法を示す断面図である。はじめに、第1の実施の形態の半導体装置の構造上の特徴について説明する。
【0034】
第1の実施の形態に係る半導体装置の主要部は、半導体基板上に形成されたCu埋め込み(ダマシン)多層配線と、このCu埋め込み多層配線の第1配線層に形成されたCu埋め込みシールド層と、このCu埋め込みシールド層の上部の第2配線層に形成されたTaN/Ta2O5 /TaNからなるキャパシタ及びTaNを皮膜とする金属皮膜抵抗体と、前記第2配線層に形成された前記TaNシールド層と、このTaNシールド層の上部の第3配線層に形成されたCu埋め込み配線を用いて形成されたインダクタと、前記Cu及びTaNからなる各シールド層の直下部にそれぞれ配置されたトランジスタ等の半導体基板上の能動素子から構成される。
【0035】
次に図1、図2に示す断面図を用いて第1の実施の形態に係る半導体装置の構成を製造工程順に詳細に説明する。図1(a)に示すように、トランジスタ等の能動素子(図示せず)が形成されたシリコン基板1を覆う第1層間絶縁膜2の上の第1配線層に、本発明のCu埋め込み多層配線技術を適用して、Cu埋め込みシールド層3を形成する。本発明のCu埋め込み多層配線技術については第2の実施の形態において詳細に説明する。
【0036】
前記Cu埋め込みシールド層を覆うように第2層間絶縁膜4を形成し、再び本発明のCu埋め込み多層配線技術を用いてこの第2層間絶縁膜4の上の第2配線層に第1、及び第2配線層を接続するコンタクトホール5と、Cu埋め込みパッド6と、Cu埋め込み配線7を形成し、その表面をCMP研磨(Chemical Mechanical polishing)により平坦化する。ここでCu埋め込みパッドとは、半導体基板に対して垂直方向にコンタクトホール間を直接接続するためのパッドであって、例えば図1(a)に示すCu埋め込み配線7のように紙面に対して垂直方向に伸びる配線とは異なるものである。
【0037】
次に図1(b)に示すように、TaN膜をスパッタ法により堆積し、パターニングすることによりキャパシタの一方の電極をなすTaN電極8をCu埋め込み配線7と接続するように形成する。引き続きスパッタ法を用いて図1(c)に示すように、TaN電極8を覆うようにキャパシタの誘電体膜となるTa2O5膜9とTaN膜10とを積層して堆積する。
【0038】
次に図2(d)に示すように、第2層間絶縁膜4の上面に堆積されたTa2O5膜9/TaN膜10からなる積層膜をパターニングすることにより、この積層膜をキャパシタの形成領域におけるTa2O5膜9a/TaN膜10aと、TaN抵抗体の形成領域におけるTa2O5膜9b/TaN膜10bと、図2(e)に示すインダクタをなすCu埋め込み配線14とシリコン基板1との間を遮蔽するTaNシールド層の形成領域におけるTa2O5膜9c/TaN膜10cとの3つの領域に分割する。
【0039】
引き続き、これらの3分割されたTaN膜10a、10b、10cを覆うように窒化膜11と第3層間絶縁膜12とを積層し、CMP研磨により表面を平坦化する。
【0040】
次に、窒化膜11と第3層間絶縁膜12とを貫通するCu埋め込みコンタクトホールを介して、前記第2配線層上に形成されたTaN膜10a、10b、10cに接続された第3配線層のCu埋め込みパッドやCu埋め込み配線を形成する。ここで、第3層のCu埋め込み配線には、図2(e)の断面図とその上部の部分的な平面図に示されるように、Cu埋め込み配線14からなるインダクタが含まれる。
【0041】
このようにインダクタを含む第3層間絶縁膜12をCMP研磨し、その上に第4層間絶縁膜13を堆積し、第3層間絶縁膜12に形成されたCu埋め込みコンタクトホールを介して、第3配線層のCu埋め込みパッド及びCu埋め込み配線と、第4層間絶縁膜13の上面に形成された第4配線層のCu埋め込みパッド及びCu埋め込み配線とが接続される。このとき、前記Cu埋め込み配線14からなるインダクタのCu埋め込みリード線15、16がインダクタに接続される。
【0042】
以上述べた製造工程において、図2(e)に示すように、第1層間絶縁膜2の上の第1配線層に形成されたCu埋め込みシールド層は、Cu埋め込みコンタクトホール5とCu埋め込みパッド6とを順に上部に直接接続するダイレクトコンタクトを形成し、第4層間絶縁膜13の上面に引き出され接地される。
【0043】
同様に第2層間絶縁膜4の上の第2配線層上に形成されたTaNシールド層10cは、窒化膜11を貫通してこのTaNシールド層10cに接続されたCu埋め込みコンタクトホールとCu埋め込みパッドとからなるダイレクトコンタクトを介して第4層間絶縁膜13の上面に引き出され接地される。なお、第4層間絶縁膜13の上面に形成される第4配線層は、窒化膜等からなるパッシベーション膜(図示せず)で被覆される。
【0044】
図2(e)に示す第1の実施の形態の半導体装置は、多層配線とコンタクトホールが安価で導電性に優れたCu埋め込み多層配線を用いて形成されること、キャパシタ及び抵抗体と半導体基板上に形成されるトランジスタ(図示せず)との間をシールドするCu埋め込みシールド層3が、第1配線層におけるCu埋め込み配線技術を用いて形成されることに特徴がある。
【0045】
また、キャパシタの電極と抵抗体の導電性皮膜がTaNで形成されることにより、SiO2等の絶縁膜中における拡散係数の大きいCuの拡散によるトランジスタ等のリーク電流の発生が、TaN拡散防止膜で抑制されるので、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【0046】
また、従来のSTI領域上の導電性ポリシリコンからなる抵抗体では、STIの面積に起因するポリシリコン抵抗体のサイズの制限や、熱工程に起因する抵抗値のばらつき、及び工程数の増大等が問題となっていたが、キャパシタの一方の電極をなすTaNを抵抗体の導電性皮膜とすることにより、これらの問題点を全て解決することができる。
【0047】
例えば抵抗体のサイズの制限に関し、キャパシタと隣り合う抵抗体のTaN導電性皮膜の面積を十分大きくすることにより、これをパターニングし、トリミングすることにより、高精度な抵抗値の調整をすることができる。また、従来用いられてきた導電性ポリシリコンに比べて、抵抗値の温度係数が小さいことも大きな利点である。
【0048】
図2(e)に示す第1の実施の形態の半導体装置は、さらにキャパシタの一方の電極10aと、抵抗体の導電性皮膜10bをなすTaN膜の一部が、インダクタと半導体基板上のトランジスタとの間のTaNシールド層10cとして用いられることに特徴がある。
【0049】
なお、これらのTaN膜10a、10b、10cは、Cu埋め込み配線からのCu拡散を防止するためさらに窒化膜11で被覆され、窒化膜11を覆う層間絶縁膜12の上にCu埋め込み配線14からなるインダクタが形成される。
【0050】
インダクタをなすCu埋め込み配線14を流れる電流は、磁気誘導によりTaNシールド層10cにイメージ電流を発生させ、このイメージ電流による損失がインダクタのQ値を小さくするので、これを回避するため前記イメージ電流を妨げるようにTaNシールド層10cをパターニングして分割するか、スリット等を設けてTaNシールド層10cのパターン形状を最適化すれば、インダクタ14のQ値を低下させることなく十分なシールド効果を得ることができる。
【0051】
なお、前記Cu埋め込みシールド層3、及びTaNシールド層10c共に受動素子との間の結合容量が小さいことが望ましいので、上記のようにシールド層を分割最適化するに当り、結合容量の最小化についても同時に考慮しなければならない。
【0052】
このように、キャパシタの一方の電極10aと、抵抗体の導電性皮膜10bとTaNシールド層10cとに対して共通に用いる導電膜としては、高い電気伝導度を有し、Cuに対する拡散防止の作用があり、かつ温度係数が小さいことが要求されるが、これらの要求条件を満たす導電膜として、TaNのほかTiAl、TiN、WN等の金属間化合物からなる膜を用いることができる。
【0053】
なお、通常アナログ回路に用いられるインダクタは100ミクロン角程度の大きさがあり、アナログ回路においてチップサイズ縮小の妨げとなってきた。しかし、アナログ回路に比べてより多くの配線層を備えたロジック回路を含むアナログ・ディジタル混載型の半導体装置を形成する際、インダクタ下部の空いている配線層に前記TaNシールド層10cを設ければ、クロストークが回避され、大型のインダクタの直下部の半導体基板上に多数のトランジスタ等の能動素子を配置することができるので、半導体装置の集積密度を大幅に向上することができる。
【0054】
図3は、図2(e)に示す第1の実施の形態の半導体装置において、Cu埋め込み配線技術(ダマシン配線)がどのように用いられるかについて、わかりやすく説明するための断面図である。図3に示すように、半導体基板1に例えばトランジスタのソース/ドレイン領域のいづれか1つとなる高不純物濃度の拡散層1aが形成され、この拡散層1aにCu埋め込み多層配線を接続する場合について説明する。
【0055】
半導体基板1の上面に第1層間絶縁膜2を堆積し、例えばCu埋め込みパッド6の凹部を形成する。また、このCu埋め込みパッド6の凹部の底に前記拡散層1aに達するコンタクトホール5を開口する。次にCu埋め込みメッキ工程においてメッキ電極となるように、前記Cu埋め込みパッド6の凹部及びコンタクトホール5の内面と、第1層間絶縁膜2の表面とを覆うように、例えばTaN膜を薄くスパッタする。
【0056】
次に、このTaN膜を陰極としてCu埋め込みメッキ工程を行えば、前記コンタクトホール5と凹部6とがCuで埋め込まれ、同時に第1層間絶縁膜2の上部表面にCuが堆積する。CMP研磨により第1層間絶縁膜2の表面上のCuを除去し、表面を平坦化すれば第1層間絶縁膜2の上部の第1Cu埋め込み配線層に形成されたCu埋め込みパッド6と、半導体基板上の拡散層1aとが、Cu埋め込みコンタクトホールを介して接続される。
【0057】
次に、第2層間絶縁膜4の上の第2Cu埋め込み配線層形成領域に配線溝14(配線溝の縦断面が示されている)を開口し、その一端の底部に前記Cu埋め込みパッド6につながるコンタクトホールを開口する。引き続き、前記と同様に電気メッキ法によりCuを埋め込み、CMP研磨して表面を平坦化する。
【0058】
次に、第3層間絶縁膜12の上の第3Cu埋め込み配線層形成領域に配線溝15(配線溝の横断面が示されている)を開口し、その一端の底部にCu埋め込み配線14の他端につながるコンタクトホール5を開口する。引き続き前記と同様に電気メッキ法によりCuを埋め込み、CMP研磨して表面を平坦化する。以上の操作を繰り返して、半導体基板上の能動素子に接続されるCu埋め込み多層配線を形成することができる。
【0059】
図3において、半導体基板上の拡散層1aの上にCu埋め込みパッド6を含むダイレクトコンタクトを形成する場合について説明したが、Cu埋め込みパッドがCu埋め込み配線に置き換えられても同様に実施することができる。
【0060】
図2(e)に示す第1の実施の形態の半導体装置において、図3に示すようなCu埋め込み多層配線が全面的に用いられる。すなわち、第1Cu埋め込み配線層の一部としてCu埋め込みシールド層が形成され、第2Cu埋め込み配線層の形成工程において、第2層間絶縁膜の平坦化の後、キャパシタと抵抗体とインダクタのシールド層を形成するTaN膜とTa2O5膜の積層工程が含まれ、また、第3Cu埋め込み配線層の一部としてCu埋め込みインダクタが形成される。
【0061】
なお、半導体装置の受動素子とシールド層がCu埋め込み多層配線に組み込まれるように形成されるので、工程数を増加することなく、例えばインダクタのシールド層を第2Cu埋め込み配線層の一部として形成することも可能である。
【0062】
このように、全面的にCu埋め込み多層配線を用いた半導体装置において、多数のCu埋め込みコンタクトホールによるCu埋め込み配線層間の接続には、極めて高い信頼性が要求される。
【0063】
先に述べたように、従来Cu埋め込み配線とCu埋め込みコンタクトホールとの接続点にクラウンと呼ばれる残留物が形成されるため、Cu埋め込み多層配線を含む半導体装置を高い歩留まりで製造することはできなかった。
【0064】
次に、図4を用いて本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。第2の実施の形態では、第1の実施の形態で説明した半導体装置を高い歩留まりで提供するクラウン生成の問題が除去されたCu埋め込み配線技術について説明する。図4に示すCu埋め込み配線技術は、先に図5を用いて説明した塗布形反射防止膜の替わりに反射防止膜としての機能を持つSiON膜を用いることに特徴がある。
【0065】
図4(a)に示すように、シリコン基板1の上に層間絶縁膜2を形成し、その上にSiON反射防止膜20を堆積する。このSiON反射防止膜20の上にレジスト膜21を塗布し、コンタクトホールの開口部を形成する。ここでシリコン基板1は下層の配線層であっても良い。
【0066】
次に、図4(b)に示すように、レジスト膜21をマスクとしてSiON反射防止膜20と層間絶縁膜2とをシリコン基板1に達するまでRIEを用いて異方性エッチングし、レジスト膜21を除去する。
【0067】
先に図5(c)で説明した従来のレジスト膜31の除去工程では、反射防止膜30は、レジスト膜31の除去工程で同時に除去されるが、第2の実施の形態におけるレジスト膜21の除去工程では、反射防止膜20がSiON膜からなるため除去されずに図4(c)に示すように残留する。
【0068】
次に、図4(d)に示すように、コンタクトホールが開口された層間絶縁膜2とSiON反射防止膜20の上に、再度レジスト膜21を塗布し、配線溝の形成領域を開口する。この工程でコンタクトホールに埋めこまれたレジスト膜は除去される。
【0069】
次に、SiON反射防止膜20に対するエッチング条件でRIEによる異方性エッチングを行えば、図4(e)に示すように、層間絶縁膜2の上面を覆うSiON反射防止膜20が除去される。引き続きSiO2に対するエッチング条件に切り替えてRIEによる異方性エッチングを行えば、層間絶縁膜2に配線溝を形成することができる。
【0070】
この配線溝の形成工程で、従来は図5(f)に示すように、コンタクトホールの内壁に残された塗布形の反射防止膜がクラウンを生成させる原因となっていたが、第2の実施の形態における配線溝の形成工程では、コンタクトホールの内壁に反射防止膜が存在しないので、クラウンは生成されない。
【0071】
次に、図4(g)に示すように、レジスト膜20を除去すれば配線溝の底部にクラウンを生じることなくコンタクトホールが開口された構造を層間絶縁膜2に形成することができる。引き続き例えばTaNからなるメッキ電極を全面にスパッタし、電気メッキによりCuを埋め込み層間絶縁膜2の上面に堆積したCuをCMPで除去すれば、所要のCu埋め込み2重溝配線(Dual Damascene)の配線構造を形成することができる。
【0072】
このようにCMP研磨で平坦化されたCu埋め込み2重溝配線の上に層間絶縁膜を堆積し、同様の工程を繰り返せば容易に配線層を多層化することができる。
【0073】
このように形成されたCu埋め込み多層配線は、各配線層間を接続するコンタクトホールの周辺にクラウンが存在せず、コンタクトホールと配線溝とが完全に一体化された状態で電気メッキによるCu埋め込みがなされるので、各配線層間を接続するコンタクトホールの接続の信頼性は極めて高い。
【0074】
また、配線溝は任意の平面形状にパターニングすることができるので、これを用いて図2(e)に示すCu埋め込みシールド層3やインダクタをなすCu埋め込み配線14を、何等の追加工程を要することなく、対応する配線層のCu埋め込み配線と同時に形成することができる。
【0075】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば第1の実施の形態において、第1配線層にCu埋め込みシールド層を形成し、第2配線層にキャパシタと抵抗体とTaNシールド層とを形成し、第3配線層にインダクタを形成する場合について説明したが、シールド層が受動素子の下層に形成されれば、他の異なる配線層の組み合わせに対して同様に実施することができる。
【0076】
また、第2の実施の形態において、コンタクトホール開口後も層間絶縁膜の上面に残留させる反射防止膜としてSiON膜を用いたが、塗布形の反射防止膜であっても、コンタクトホールの開口過程で用いたレジスト膜の除去工程において、材質の劣化を生じることなく層間絶縁膜の上面に残留する反射防止膜であれば、SiON膜と同様に用いることができる。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【0077】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、
(1)Cu埋め込み多層配線を構成する上部配線層にキャパシタ、抵抗体、及びインダクタ等の受動素子を形成し、かつ前記受動素子の下部配線層に電気的及び磁気的結合を遮断するシールド層を形成することにより、占有面積の大きい前記受動素子の直下部の半導体基板上に、クロストークを生じることなくトランジスタ等の能動素子を配置することができるので、アナログ回路及びアナログ・デジタル混載回路からなる半導体装置の集積度を大幅に向上させることができる。
【0078】
(2)インダクタ及びシールド層がCu埋め込み多層配線技術を用いて形成されるので、何等の追加工程を要することなく前記インダクタ及びシールド層をCu埋め込み多層配線の配線層の中に組み込むことができる。
【0079】
(3)キャパシタの電極、抵抗体の抵抗皮膜、及びシールド層を構成する導電材料として、例えばTaN、TiAl、TiN、WN等のように、層間絶縁膜中のCu拡散に対するバリア効果のあるものを用いるので、工程数の削減と同時に、Cu拡散による半導体装置の受動素子及び能動素子におけるリーク電流の発生を回避し、Cu埋め込み配線からなる半導体装置の信頼性を大幅に向上させることができる。
【0080】
(4)これらの導電材料を抵抗体の皮膜抵抗として用いることにより、抵抗値の温度係数が小さく、熱工程による抵抗値のバラツキや工程数の増加も軽減することができる。また、導電性ポリシリコンからなる抵抗体をSTI領域上に設ける従来の方法に比べて、抵抗体を層間絶縁膜の間における任意の配線層に形成することができるので、抵抗体のサイズと形状を自由に選択することで抵抗値を精度良く制御することができる。
【0081】
(5)これらの導電性材料をインダクタのシールド層として用いる場合、イメージ電流による損失を軽減するように、スリットによりシールド層を分割する等の形状の最適化を行えば、半導体基板上の能動素子へのクロストークを回避すると同時にインダクタのQ値を高くすることができる。このようなシールド層の形状の最適化は、例えばCu埋め込みシールド層をインダクタのシールド層として用いる場合にも同様に実施することができる。
【0082】
(6)本発明の半導体装置に用いるCu埋め込み多層配線の形成に際し、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成するのに用いたSiON反射防止膜を、そのまま配線溝の形成にも用いることにより、コンタクトホール周辺部におけるクラウンの生成を回避し、Cu埋め込みメッキ電極となるTaN等の皮膜を前記コンタクトホール及び配線溝の開口部の内面に一様にスパッタすることができるので、前記コンタクトホール及び配線溝へのCu埋め込みを一体化すると同時に、前記
TaN皮膜にはCu拡散のバリア効果があるので、高歩留まりで工程数が少なく、かつ、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る半導体装置の構造と製造工程を示す断面図。
【図2】第1の実施の形態に係る半導体装置の構造と製造工程の続きを示す断面図。
【図3】第1の実施の形態に係る半導体装置の多層Cu埋め込み配線の断面図。
【図4】第2の実施の形態のコンタクトホールと配線溝の形成方法を示す断面図。
【図5】従来のコンタクトホールと配線溝の形成方法を示す断面図。
【符号の説明】
1…シリコン基板
2、4,12,13…層間絶縁膜
3…Cu埋め込みシールド層
5…Cu埋め込みコンタクトホール
6…Cu埋め込みパッド
7、14…Cu埋め込み配線
8…TaN電極
9、9a、9b、9c…Ta2O5膜
10、10a、10b、10c…TaN膜
11…窒化膜
15、16…インダクタのCu埋め込みリード線
20…SiON反射防止膜
21、31…レジスト膜
30…塗布型反射防止膜
Claims (13)
- 半導体基板上に形成されたキャパシタ、抵抗体、及びインダクタからなる受動素子を含む半導体装置において、
前記半導体装置は金属埋め込み多層配線を具備し、
前記受動素子が前記金属埋め込み多層配線の上部配線層に形成され、
前記半導体基板の上面に形成された能動素子と前記受動素子との間のクロストークを回避するシールド層が、前記受動素子が形成された前記上部配線層の下部の配線層に形成されることを特徴とする半導体装置。 - 前記キャパシタの電極と前記抵抗体の皮膜抵抗と前記インダクタのシールド層との内、少なくともいづれか2つは、同一の導電材料からなるひと続きの導電層が分割されてなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記キャパシタと抵抗体のシールド層、及び、前記インダクタが、前記金属埋め込み多層配線と同様な金属埋め込み手段により形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記金属埋め込み多層配線における埋め込み金属は、Cuからなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記インダクタのシールド層は、前記インダクタの直下部において分割配置されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記シールド層の直下部に、前記半導体装置の能動素子が配置されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記金属埋め込み多層配線において、コンタクトホールを開口する反射防止膜とこのコンタクトホールの上部に形成される配線溝を開口する反射防止膜とが同一の反射防止膜からなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記同一の導電材料からなる一続きの導電層は、TaN、
TiAl、TiN、及びWNのいづれか1つからなることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 - 前記反射防止膜は、SiONからなることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。
- 半導体基板上に第1の層間絶縁膜を形成する工程と、
この第1の層間絶縁膜に第1の金属埋め込み配線を形成する工程と、
前記第1の層間絶縁膜上に第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
この第2の層間絶縁膜に第2の金属埋め込み配線を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜の上面にキャパシタと抵抗体とインダクタのシールド層を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜上に第3の層間絶縁膜を形成する工程と、
この第3の層間絶縁膜に第3の金属埋め込み配線を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法において、
前記第1の金属埋め込み配線を形成する工程は、この第1の金属埋め込み配線の一部をなす金属埋め込みシールド層を形成する工程を含み、
前記キャパシタと抵抗体とインダクタのシールド層を形成する工程は、キャパシタの電極と抵抗体の皮膜抵抗とインダクタのシールド層との内、少なくともいずれか2つを、同一の導電材料からなる一続きの導電層を分割して形成する工程を含み、
前記第3の金属埋め込み配線を形成する工程は、この第3の金属埋め込み配線の一部をなす金属埋め込みインダクタを形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記半導体装置の製造方法において、金属埋め込み配線層を形成する工程は、
半導体基板上に層間絶縁膜を堆積する工程と、
この層間絶縁膜上に反射防止膜を堆積する工程と、
この反射防止膜上に第1のレジスト膜を塗布する工程と、
このレジスト膜にコンタクトホールのパターンを形成する工程と、
前記第1のレジスト膜をマスクとして前記反射防止膜をエッチングする工程と、
前記第1のレジスト膜と前記反射防止膜とをマスクとして前記層間絶縁膜をエッチングする工程と、
前記第1のレジスト膜を除去する工程と、
前記半導体基板上に第2のレジスト膜を塗布する工程と、
この第2のレジスト膜に配線溝のパターンを形成する工程と、
前記第2のレジスト膜をマスクとして前記反射防止膜をエッチングする工程と、
前記第2のレジスト膜と前記前記反射防止膜とをマスクとして前記層間絶縁膜に、この層間絶縁膜の厚さよりも浅い配線溝を形成するエッチング工程と、
前記第2のレジスト膜を除去する工程と、
前記コンタクトホールと前記配線溝とに金属材料を埋め込む工程と、
を含むことを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。 - 前記層間絶縁膜上に反射防止膜を堆積する工程の替わりに、前記層間絶縁膜上に反射防止膜を塗布する工程が含まれることを特徴とする請求項11記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2のレジスト膜を除去する工程に引き続き、前記反射防止膜を除去する工程が含まれることを特徴とする請求項11記載の半導体装置の製造方法。
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