JP4068497B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はダマシン構造のビア・コンタクトを用いた半導体装置とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から半導体装置のビア・コンタクト構造の形成にダマシン(Damascene)構造が用いられている。ダマシン構造は製造工程が簡素であり、しかも金属層の加工処理に対して、微細なパターンの形成が困難なRIE工程が要求されない利点がある。
【0003】
従来のCuの電極パターンを用いたダマシン構造について説明する。
【0004】
図7(a)はCuの電極パターンを用いたダマシン構造の一例を示す断面側面図で、(b)はそのD−D´断面での平面図である。シリコン基板1の上に半導体層2が設けられ、この半導体層2の上に層間絶縁層3が形成されている。層間絶縁層3には、バリアメタル/シード膜4(例えば、TaN/Ta/Cu膜)を介してCuの電極パターン6が形成されている。電極パターン6の上面には絶縁層7が形成され、この絶縁層7には電極パターン6の位置に対応して溝5が形成されている。なお、この場合は、電極パターン6の上に存在する溝5のボトム(Bottom)のビア・コンタクト・ホール5aの径(底径)より広い幅を有する電極パターン6(以下、幅広の電極パターン6と呼ぶ)の上に溝5が形成されている。
【0005】
また、電極パターン6に用いているCuの状態を微視的に観察すると、Cuのグレイン(Grain)10がグレイン−バウンダリー(Grain−boundary)11で密接して形成されており、グレイン−バウンダリー11の所々にはベーカンシー(Vacancy)12が存在し、ボイド(Void)が発生している。
【0006】
次に、図8(a)および(b)、ならびに、図9(a)および(b)を参照して説明する。なお、図8および図9において、(a)は電極パターンの製造工程での側面断面図を、(b)はその平面図を示している。また、図7(a)および(b)と同一機能部分には同一符号を付して、その個々の説明を省略する。
【0007】
図8(a)および(b)は、ダマシン構造を形成する工程において、シリコン基板1の上に半導体層2および層間絶縁層3を成膜した後、電極パターン6が形成されるべき電極パターン用溝14を加工し、バリアメタル/シード膜4(例えば、TaN/Ta/Cu膜)を形成し、メッキ法でCuを埋め込み、化学的機械研磨法(CMP)により選択的に電極パターン6のみに、所望の厚さのCuを残した状態を示したものである。この状態で、電極パターン6におけるCuの状態を微視的に観察すると、Cuのグレイン10がグレイン−バウンダリー11で密接して形成されている。この時点では、ベーカンシー12は存在するが未だ小さい。
【0008】
図9(a)および(b)は、図8(a)および(b)で示した構成の表面に、絶縁層7を成膜した状態である。この状態では、電極パターン6のCuのグレイン10が成長し、ベーカンシー12が拡大している。
【0009】
つまり、電極パターン6のCuの表面上に絶縁層7を形成し、その後、図7(a)および(b)に示したように、絶縁層7に溝5、および、ビア・コンタクト・ホール5aを設けた場合、電極パターン6のCuの内部のベーカンシー12が溝5の下に集まり、ボイドが発生している。
【0010】
図10は、ビアの下層の電極パターン6の長さtを一定とし、電極パターン6の幅wを変化させたものの表面構造を例示的に示した説明図で、図11は、ビアの下層の電極パターン6の長さを変化させた際のビア抵抗値を4端子法により測定した一例を示したグラフである。すなわち、ビアの下層の電極パターンの長さが増加するにしたがって、ビアの抵抗値も大きくなる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
図9(a)で示したように、図8(a)の表面に、絶縁層7を成膜する際、製造プロセス中の高温熱工程を経ることにより、Cuのグレイン10の成長が進み、グレイン・バウンダリー11等に存在するベーカンシー12の拡散が生じる。特に、幅が広い電極パターン6では、粒子成長しやすいためグレイン・バウンダリー11のベーカンシー12が集まりボイドが発生しやすくなる。
【0012】
また、図7(a)および(b)で示したように、図9(a)および(b)の状態に、ビア・コンタクト・ホール5aを加工後、プロセス中の高温熱工程を経た状態では、絶縁層7の応力(Stress)が少ないビア・コンタクト・ホール5aの底部では、その応力勾配により、ビア・コンタクト・ホール5a近傍およそ10μm領域のベーカンシー12が集まりやすく、非常に大きなボイドとなり、ビア・オープン不良や、ビアの高抵抗の原因となるという問題が存在する。
【0013】
また、図11で示したように、ビアの抵抗値を4端子法により測定した結果、電極パターンの幅を広げると粒子成長が促進しやすくなるため、ビア・コンタクト・ホール5aの底部にボイドが発生しやすく、それによって高抵抗値を示している。逆に電極パターン6の幅wを狭めることで、グレインの成長がしにくくなるため、ビア・コンタクト・ホール5aの底部にボイドが発生しにくくなり、抵抗値が低抵抗値を示している。
【0014】
ただし、電極パターン6の幅を狭くすることは、製造技術上あまり好ましくなく、また、電極パターンとビアとのコンタクト(ビア・コンタクト)が少なくなり、電気信号の伝達の信頼性上も安定性に乏しい難点がある。
【0015】
本発明はこれらの事情にもとづいてなされたもので、ビア・コンタクトの良好なダマシン構造を有する半導体装置とその製造方法を提供することを目的としている。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様の半導体装置は、半導体基板上に形成された第1の層間絶縁層と、この第1の層間絶縁層に形成された電極パターンと、前記第1の層間絶縁層および前記電極パターン上に形成され、ビア・コンタクト・ホールが形成された第2の層間絶縁層と、前記電極パターン内に形成され、前記ビア・コンタクト・ホールの底部直下を10μm以下離間して取り囲むように配置された絶縁体のダミーパターンを備えることを特徴とする。
【0017】
また本発明の一態様の半導体装置において、前記ダミーパターンは、前記ビア・コンタクト・ホールの底部直下を所定間隔離間して取り囲むように略正方形状に配置されていることを特徴としている。
【0018】
また本発明の一態様の半導体装置において、前記ダミーパターンは、前記第1の層間絶縁層と同じ絶縁体で形成されていることを特徴としている。
【0019】
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1の層間絶縁層を堆積し、前記第1の層間絶縁層に、絶縁体からなり所定領域を10μm以下離間して取り囲むように配置されるダミーパターンを有する電極パターン用の溝を形成し、前記溝内に電極パターンを形成し、前記電極パターンおよび前記第1の層間絶縁膜の上に第2の層間絶縁層を成膜し、前記第2の層間絶縁層の前記所定領域の直上に、ビア・コンタクト・ホールを形成することを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0021】
最初に、本発明の基本的な考え方について説明する。Cuメッキ技術を用いた二重ダマシン(Dual Damascene)構造をもつ多層電極パターンのプロセスでは、電極パターンとして幅方向の広い幅広電極パターン(図10で説明)を用い、その幅広電極パターンの上にビア・コンタクト・ホールを形成する際、プロセス中に高温熱工程を経るために、膜応力(Stress)の少ないビア・コンタクト・ホールの底部の電極パターンに、ベーカンシーが集まりボイドが発生する。その結果、ビアのオープン不良や、ビアの高抵抗の原因となるという問題点が存在していた。
【0022】
つまり、電極パターンとして幅広の電極パターンを用いた場合には、グレインが成長しやすいため、グレイン−バウンダリーのベーカンシーが集まりボイドが発生しやすい。これに対して、電極パターンの上に存在するビア・コンタクト・ホールの底(Bottom)径より狭い幅を有する電極パターン(以下、幅細電極パターンと呼ぶ)では、グレインが成長しにくいため、グレイン−バウンダリーのベーカンシーが集まりにくく、ボイドが発生しにくいという性質がある。
【0023】
本発明は、この性質を利用し、電極パターンの領域内に、ダミーパターンをビア・コン タクト・ホールの底部から水平距離で10μm以下の間隔をとって配置し、ベーカンシーを膜応力の少ないダミーパターンの方へ集中させることにより、幅広電極パターンであっても、ビア・コンタクト・ホール底部の電極パターンにボイドが発生しにくい構造を提供することが可能になる。
【0024】
図1(a)は、これらの基本的な考え方に基づいて形成した、本発明の実施の形態を示す半導体装置の電極パターン部の断面側面図であり、図1(b)は、そのA−A´断面での平面図である。
【0025】
すなわち、シリコン基板1の上に半導体層2が設けられ、この半導体層2の上に層間絶縁層(第1の層間絶縁膜)3が形成されている。層間絶縁層3には表面側に電極パターン用溝14が形成され、その電極パターン用溝14の内部にはバリアメタル/シード膜4(例えば、TaN/Ta/Cu膜)を介して、溝5の底径(Bottom径)より広い幅を有するCuの電極パターン6が形成されている。電極パターン6の上面には絶縁層(第2の層間絶縁膜)7が形成され、この絶縁層(第2の層間絶縁膜)7には電極パターン6に対応して溝5が形成されている。なお、溝5は、段差構造で、底部にはビア・コンタクト・ホール5aが形成されている。以下の説明で、単に、溝5といった場合にも、ビア・コンタクト・ホール5aを含んでいるものとする。
【0026】
電極パターン6には、4本の絶縁体からなるダミーパターン8が、溝5の開孔箇所、すなわちビア・コンタクト・ホール5aの底部から水平距離で10μm以内程度の間隔をおいて、ビア・コンタクト・ホール5aの底部直下を囲むように略正方形状の等位置に配置されている。
【0027】
これらのダミーパターン8の配置により、電極パターン6は幅広の電極パターン6(図10で説明)であるが、微視的に観察すると、グレイン10の境界であるグレイン−バウンダリー11に発生したベーカンシー12がダミーパターン8の方へ集まって、ベーカンシー12は溝5の下に集まりにくくなっているため、ボイドが発生していない。
【0028】
次に電極パターン6の周辺部の製造方法について、図2(a)および(b)、ならびに、図3(a)および(b)を参照して説明する。なお、図2および図3において、(a)は電極パターンの製造工程での側面断面図を、(b)はその平面図を示している。また、図1(a)および(b)と同一機能部分には同一符号を付して、その個々の説明を省略する。
【0029】
まず、図2(a)に示すように、半導体ウエハであるシリコン基板1の上に半導体層2を形成した後、層間絶縁膜3を堆積して基板を形成する。
【0030】
次に、基板の全面にフォトレジスト13を塗布し、その後、水銀ランプのi線,KrFエキシマレーザー,ArFエキシマレーザーを用いて、レチクルのフォトレジストパターン(不図示)をフォトレジスト13に転写する。
【0031】
フォトレジスト13に転写されたフォトレジストパターンを用い、ドライエッチングにより、層間絶縁膜3に電極パターン6が形成されるべき電極パターン用溝14と、この電極パターン用溝14の中に、4本のダミーパターン8を、溝5の開孔予定箇所から10μm以内の間隔で、略正方形状に林立して配置されるように形成する。
【0032】
バリアメタル/シード膜4(例えば、TaN/Ta/Cu膜)をスパッタリングにより形成し、電極パターン6が形成されるべき電極パターン用溝14にメッキ法でCuを埋め込み電極パターン6を形成する。
【0033】
その後、アルミナ,シリカなどの砥粒を含む研磨材(スラリー)を用いて、化学的機械研磨法(CMP)により選択的に電極パターン6に所望の厚さのCuを残した状態に形成する。
【0034】
この状態で、電極パターン6におけるCuの状態を微視的に観察すると、Cuのグレイン10がグレイン−バウンダリー11で密接して形成されている。この時点では、ベーカンシー12は存在するが未だ小さい。
【0035】
次に、図3(a)に示すように、電極パターン6の表面に絶縁層7を成膜する。この絶縁層7の成膜は、プロセス中の高温熱工程を経るため、Cuのグレイン10の成長に伴うベーカンシー12の集中が、電極パターン6の領域で生じる。ただし、ダミーパターン8に囲まれた領域では、グレイン10の成長が抑制され、幅広パターンで生じるようなボイドも生じにくくなる。
【0036】
絶縁層7の上にフォトレジスト13aを塗布し、図1(a)に示すように、絶縁層7の所定位置にフォトリソグラフィを用いてビア・コンタクト・ホール5aのパターンを形成する。
【0037】
ビア・コンタクト・ホール5aのパターンを用いてエッチングすることにより、ビア・コンタクト・ホール5aを形成し、フォトレジスト13aを除去する。
【0038】
フォトリソグラフィにより溝5のパターンを形成し、これを用いてエッチングすることにより図1(a)および(b)に示したような溝5を完成する。
【0039】
このビア・コンタクト・ホール5aと溝5の形成のプロセス中に、高温工程を経ても、電極パターン6のビア・コンタクト・ホール5aの底部では、ビア・コンタクト・ホール5aの底部直下を取囲むようにダミーパターン8を設けたことにより、ビア・コンタクト・ホール5aの下に集まりにくくなっているため、グレイン−バウンダリーのベーカンシー12の集中が発生せずにボイドが生じない。
【0040】
なお、以後の工程については、一般に行われている半導体装置の製造工程をそのまま適用しているので、その説明は省略する。
【0041】
次に、ビア・コンタクト・ホール5aの底部に対してのダミーパターン8の配置についての実施例を説明する。
【0042】
図4は、4本のダミーパターン8をビア・コンタクト・ホール5aの底部から水平距離で20μm以下の間隔dで配置した表面構造の一例である。
【0043】
図5は、図4に示したダミーパターン8の配置構造で、ビア・コンタクト・ホール5aの底部とダミーパターン8との間隔d(水平距離)を変化させたときのビアの抵抗値を4端子法により測定した結果のグラフである。この結果より、ビアの抵抗値を15Ω以下にするためには、ビア・コンタクト・ホール5aの底部とダミーパターン8との間隔dを水平距離で10μm以下に設定する必要があることがわかる。
【0044】
なお、ダミーパターン8の形状と本数については、上述のダミーパターは4本で形成したが、ロ字状に連続したパターンで、ビアの開口を内部にして取り囲こむように配置してもよい。また、ダミーパターン8は正方形状でなくても、正多角形状、あるいは円形状等の形状を、連続や不連続に形成してもよい。
【0045】
次に、図6のグラフを参照して、ビアの抵抗値について、図10で示したように、電極パターン6の長さを一定とし、電極パターン6の幅を変化させた場合について、本発明の実施例(ダミーパターン8を設けている)と従来例(ダミーパターン8を設けていない)とについて説明する。
【0046】
図6のグラフに示すように、本発明の実施例では、電極パターン6の幅が20μm以下では10Ω以下で収まっている。一方、従来の場合は、幅が5μm以上では10Ω以上になり抵抗値の増大が著しい。したがって、本発明の実施例では幅広の電極パターンを用いることができることが判る。
【0047】
以上説明したように、従来法ではビアの下層の電極パターン6の幅が広くなることにより、ビアの抵抗値が増大するのに対し、本発明の実施の形態による方法を用いると、幅の広い電極パターンであっても、ビアの抵抗値の増大を抑制することができる。
【0048】
したがって、本発明の実施の形態を用いることにより、幅広の電極パターンを用いた際における、グレイン成長時に発生するビア下の電極パターンのボイドが起因の、ビアのオープン不良やビアの高抵抗などの問題を解決することができ、良好なコンタクトが得られる。
【0049】
【発明の効果】
本発明によれば、ビア・コンタクトの良好なダマシン構造を有する半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明の実施の形態を示す半導体装置の電極パターン部の断面側面図、(b)は、そのA−A´断面での平面図。
【図2】(a)本発明の実施の形態を示す半導体装置の電極パターン部の製造工程での側面断面図、(b)はそのB−B´平面図。
【図3】(a)本発明の実施の形態を示す半導体装置の電極パターン部の製造工程での側面断面図、(b)はそのC−C´平面図。
【図4】ダミーパターンの実施例を示す説明図。
【図5】ビア抵抗値の測定グラフ。
【図6】ビア抵抗値の測定グラフ。
【図7】(a)従来のCuの電極パターンを用いたダマシン構造の一例を示す断面側面図、(b)はそのD−D´断面での平面図。
【図8】(a)従来の半導体装置の電極パターン部の製造工程での側面断面図、(b)はそのE−E´平面図。
【図9】(a)従来の半導体装置の電極パターン部の製造工程での側面断面図、(b)はそのF−F´平面図。
【図10】電極パターンの長さと幅の説明図。
【図11】電極パターンの長さを変化させた際のビア抵抗値のグラフ。
【符号の説明】
1…シリコン基板、2…半導体層、3…層間絶縁層、4…バリアメタル、5…溝、5a…ビア・コンタクト・ホール、6…電極パターン、7…絶縁層、8…ダミーパターン、10…グレイン、11…グレイン−バウンダリー、12…ベーカンシー、13…フォトレジスト、14…電極パターン用溝。
Claims (4)
- 半導体基板上に形成された第1の層間絶縁層と、
この第1の層間絶縁層に形成された電極パターンと、
前記第1の層間絶縁層および前記電極パターン上に形成され、ビア・コンタクト・ホールが形成された第2の層間絶縁層と、
前記電極パターン内に形成され、前記ビア・コンタクト・ホールの底部直下を10μm以下離間して取り囲むように配置された絶縁体のダミーパターンを備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記ダミーパターンは、前記ビア・コンタクト・ホールの底部直下を所定間隔離間して取り囲むように略正方形状に配置されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記ダミーパターンは、前記第1の層間絶縁層と同じ絶縁体で形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
- 半導体基板上に第1の層間絶縁層を堆積し、
前記第1の層間絶縁層に、絶縁体からなり所定領域を10μm以下離間して取り囲むように配置されるダミーパターンを有する電極パターン用の溝を形成し、
前記溝内に電極パターンを形成し、
前記電極パターンおよび前記第1の層間絶縁膜の上に第2の層間絶縁層を成膜し、
前記第2の層間絶縁層の前記所定領域の直上に、ビア・コンタクト・ホールを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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