JP6376750B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
この発明の目的は、金属薄膜抵抗体が下方の配線に接続されるのを防止でき、しかも製造時間の短縮化およびマスク作成費用の低廉化が図れる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
この発明の一実施形態では、前記金属薄膜抵抗体が、前記第1エッチングストッパ膜の外表面における前記第1コンタクトホールとの接続部を除いた全域および前記第1層間絶縁膜の表面における前記第1エッチングストッパ膜の周囲領域を覆う第1部分と、前記第2エッチングストッパ膜の外表面における前記第2コンタクトホールとの接続部を除いた全域および前記第1層間絶縁膜の表面における前記第2エッチングストッパ膜の周囲領域を覆う第2部分と、前記第1部分と前記第2部分とを接続する第3部分とを含む(請求項3)。
この発明の一実施形態では、前記第1エッチングストッパ膜および前記第2エッチングストッパ膜がTiNからなる(請求項6)。
この発明の一実施形態では、前記金属薄膜抵抗体の厚さが2nm以上10nm以下である(請求項7)。
この発明の一実施形態では、前記第1層間絶縁膜の下方にある第3層間絶縁膜上に形成された下部電極および前記第1層間絶縁膜上に前記下部電極に対向して形成された上部電極を含むキャパシタをさらに含み、前記上部電極が前記第1および第2エッチングストッパ膜と同じ工程で形成されている(請求項9)。
この発明の一実施形態では、前記金属薄膜抵抗体がTaNまたはSiCrからなり、前記第1エッチングストッパ膜および前記第2エッチングストッパ膜がTiNからなる(請求項12)。
図1Aは、この発明の第1実施形態に係る半導体装置1を示す図解的な平面図である。図1Bは、図1AのIB-IB線に沿う断面図である。図1Aには、半導体装置1に含まれる抵抗素子のみが図示され、それ以外の部分の図示は省略されている。
半導体装置1は、半導体基板2と、半導体基板2上に形成された複数の層間絶縁膜5〜7とを含む。半導体基板2は、たとえば、その表面3に能動素子や受動素子等の半導体素子4が作り込まれたシリコン基板からなる。
第3層間絶縁膜7内に、抵抗素子20とキャパシタ40とが形成されている。抵抗素子20は、第3層間絶縁膜7の下側層間絶縁膜8上に所定の一方向に間隔をおいて形成された第1および第2の導電性のエッチングストッパ膜21,22と、下側層間絶縁膜8上に両エッチングストッパ膜21,22に跨るように形成された金属薄膜抵抗体23とを含む。
第1部分24は、平面視において、第1エッチングストッパ膜21の4辺とそれぞれ平行な4辺を有している。第1部分24は、第1エッチングストッパ膜21の外表面(上面および側面)における第1コンタクトホール27との接続部を除いた全域を覆うとともに、下側層間絶縁膜8の表面における第1エッチングストッパ膜21の周囲領域を覆っている。つまり、第1部分24は、第1エッチングストッパ膜21の上面に形成された部分と、第1エッチングストッパ膜21の側面に形成された部分と、下側層間絶縁膜8の表面における第1エッチングストッパ膜21の周囲領域上にフランジ状に形成された部分とを含む。
第1コンタクトホール27内には、第1エッチングストッパ膜21に接続される第1コンタクトプラグ29が形成されている。第1コンタクトプラグ29は、第1コンタクトホール27の内面(底面および内周面)に形成されたバリアメタル膜30と、バリアメタル膜30に包囲された状態で第1コンタクトホール27に埋め込まれた金属プラグ31からなる。第2コンタクトホール28内には、第2エッチングストッパ膜22に接続される第2コンタクトプラグ32が形成されている。第2コンタクトプラグ32は、第2コンタクトホール28の内面(底面および内周面)に形成されたバリアメタル膜33と、バリアメタル膜33に包囲された状態で第2コンタクトホール28に埋め込まれた金属プラグ34とからなる。バリアメタル膜30,33は、たとえばTiNからなる。金属プラグ31,34は、たとえばタングステン(W)からなる。
キャパシタ40は、第2層間絶縁膜6上に形成された下部電極41と、第3層間絶縁膜7の下側層間絶縁膜8上に、下部電極41に対向するように形成された上部電極42と、下部電極41と上部電極42との間に存在する絶縁膜(下側層間絶縁膜8)とを含む。
上側層間絶縁膜9には、上部電極42の真上の領域に、上側層間絶縁膜9の表面から上部電極42の上面中央部に達する第3コンタクトホール43が形成されている。第3コンタクトホール43内には、上部電極42に接続される第3コンタクトプラグ44が形成されている。第3コンタクトプラグ44は、第3コンタクトホール43の内面に形成されたバリアメタル膜45と、バリアメタル膜45に包囲された状態でコンタクトホール43に埋め込まれた金属プラグ46からなる。バリアメタル膜45は、たとえばTiNからなる。金属プラグ46は、たとえばタングステン(W)からなる。第3層間絶縁膜7上には、第3コンタクトプラグ44に接続された配線37が形成されている。
半導体装置1を製造するには、半導体基板2の表面3に半導体素子4を作り込んだ後、半導体基板2上に第1層間絶縁膜5を形成する。次に、半導体素子4に接続されるビア(図示略)を第1層間絶縁膜5に形成する。次に、第1層間絶縁膜5上に第1配線層10を形成する。
前記実施形態に係る半導体装置1では、金属薄膜抵抗体23における第1および第2コンタクトホール27,28が形成される部分と下側層間絶縁膜8との間には、第1および第2エッチングストッパ膜21,22が介在している。このため、上側層間絶縁膜9に、上側層間絶縁膜9の表面から金属薄膜抵抗体23を貫通して第1および第2エッチングストッパ膜21,22に達する第1および第2コンタクトホール27,28を形成する際、コンタクトホール27,28が下側層間絶縁膜8に達するのを防止できる。これにより、金属薄膜抵抗体23の下方にある配線に、金属薄膜抵抗体23が接続されるのを防止できる。
比較例では、抵抗素子およびコンタクトホールの形成には、前述したように、(a1)金属薄膜抵抗体の材料層(薄膜抵抗層)の形成、(a2)第1絶縁層形成、(a3)浅いコンタクトホール形成、(a4)エッチングストッパ膜の材料層(導電体層)の形成、(a5)金属薄膜抵抗体の材料層のパターニング、(a6)エッチングストッパ膜の材料層の分離、(a7)第2絶縁層および深いコンタクトホール形成の7工程が必要である。
また、比較例では、第1絶縁膜に、第1絶縁膜の表面から薄膜抵抗層の表面に達する2つの浅いコンタクトホールを離間して形成する工程(前記(a3)の工程)において、薄膜抵抗層の表面はエッチングダメージを受けやすい。このため、金属薄膜抵抗体とエッチングストッパ膜との界面での接合状態が良くない。これに対して、前記実施形態に係る半導体装置1では、金属薄膜抵抗体との接触面積が大きいエッチングストッパ膜の側面はエッチングダメージが少なく滑らかとなるため、金属薄膜抵抗体とエッチングストッパ膜との界面での接合状態が良好となる。
半導体装置1Aは、半導体基板2と、半導体基板2上に形成された複数の層間絶縁膜5〜7とを含む。半導体基板2は、たとえば、その表面3に能動素子や受動素子等の半導体素子4が作り込まれたシリコン基板からなる。
第3層間絶縁膜7における第1エッチングストッパ膜21Aの真上位置に、第3層間絶縁膜7の表面から金属薄膜抵抗体23Aを貫通して第1エッチングストッパ膜21Aに達する第1コンタクトホール27Aが形成されている。また、第3層間絶縁膜7における第2エッチングストッパ膜22Aの真上位置に、第3層間絶縁膜7の表面から金属薄膜抵抗体23Aを貫通して第2エッチングストッパ膜22Aに達する第2コンタクトホール28Aが形成されている。
第1部分24Aは、平面視において、第1エッチングストッパ膜21Aの4辺とそれぞれ平行な4辺を有している。第1部分24Aは、第1エッチングストッパ膜21Aの外表面(上面および側面)における第1コンタクトホール27Aとの接続部を除いた全域を覆うとともに、第2層間絶縁膜6の表面における第1エッチングストッパ膜21Aの周囲領域を覆っている。つまり、第1部分24Aは、第1エッチングストッパ膜21Aの上面に形成された部分と、第1エッチングストッパ膜21Aの側面に形成された部分と、第2層間絶縁膜6の表面における第1エッチングストッパ膜21Aの周囲領域上にフランジ状に形成された部分とを含む。
第1コンタクトホール27A内には、第1エッチングストッパ膜21Aに接続される第1コンタクトプラグ29Aが形成されている。第1コンタクトプラグ29Aは、第1コンタクトホール27Aの内面(底面および内周面)に形成されたバリアメタル膜30Aと、バリアメタル膜30Aに包囲された状態で第1コンタクトホール27Aに埋め込まれた金属プラグ31Aからなる。第2コンタクトホール28A内には、第2エッチングストッパ膜22Aに接続される第2コンタクトプラグ32Aが形成されている。第2コンタクトプラグ32Aは、第2コンタクトホール28Aの内面(底面および内周面)に形成されたバリアメタル膜33Aと、バリアメタル膜33Aに包囲された状態で第2コンタクトホール28Aに埋め込まれた金属プラグ34Aとからなる。バリアメタル膜30A,33Aは、たとえばTiNからなる。金属プラグ31A,34Aは、たとえばタングステン(W)からなる。
キャパシタ40Aは、第2層間絶縁膜6上に形成された下部電極41Aと、下部電極41A上に形成された絶縁膜48と、絶縁膜48上に形成された上部電極42Aとを含む。下部電極41Aは、第2配線層11と同じ材料のAlからなり、第2配線層11と同じ工程で形成される。絶縁膜48は、SiO2からなる。上部電極42Aは、Alからなる。
2 半導体基板
5〜7 層間絶縁膜
8 下側層間絶縁膜
9 上側層間絶縁膜
20 抵抗素子
21,21A 第1エッチングストッパ膜
22,22A 第2エッチングストッパ膜
23,23A 金属薄膜抵抗体
27,27A 第1コンタクトホール
28,28A 第2コンタクトホール
29,29A 第1コンタクトプラグ
32,32A 第2コンタクトプラグ
40 キャパシタ
41 下部電極
42 上部電極
Claims (12)
- 第1層間絶縁膜上に間隔をおいて形成され、第1エッチングストッパ膜および第2エッチングストッパ膜と、
前記第1層間絶縁膜上に、前記第1エッチングストッパ膜および第2エッチングストッパ膜に跨るように形成された金属薄膜抵抗体と、
前記第1層間絶縁膜上に形成され、前記両エッチングストッパ膜および前記金属薄膜抵抗体を覆う第2層間絶縁膜と、
前記第2層間絶縁膜に形成され、前記第2層間絶縁膜の表面から前記金属薄膜抵抗体を貫通して前記第1エッチングストッパ膜に達する第1コンタクトホールと、
前記第2層間絶縁膜に形成され、前記第2層間絶縁膜の表面から前記金属薄膜抵抗体を貫通して前記第2エッチングストッパ膜に達する第2コンタクトホールと、
前記第1コンタクトホール内に形成され、前記第1エッチングストッパ膜に接続される第1コンタクトプラグと、
前記第2コンタクトホール内に形成され、前記第2エッチングストッパ膜に接続される第2コンタクトプラグとを含み、
前記金属薄膜抵抗体は、前記第1コンタクトホールが貫通する第1円形状貫通孔および前記第2コンタクトホールが貫通する第2円形状貫通孔を有しており、
前記第1コンタクトプラグは、前記第1コンタクトホールの底面および内周面に形成された第1バリアメタル層と、前記第1バリアメタル層に包囲された状態で前記第1コンタクトホールに埋め込まれた第1金属プラグとからなり、
前記第2コンタクトプラグは、前記第2コンタクトホールの底面および内周面に形成された第2バリアメタル層と、前記第2バリアメタル層に包囲された状態で前記第2コンタクトホールに埋め込まれた第2金属プラグとからなり、
前記第1バリアメタル層の底面は前記第1エッチングストッパ膜に接続され、前記第1バリアメタル層の下端部の外周面は前記金属薄膜抵抗体における前記第1円形状貫通孔の内周面の全域に接続されており、
前記第2コンタクトプラグの底面は前記第2エッチングストッパ膜に接続され、前記第2コンタクトプラグの下端部の外周面は前記金属薄膜抵抗体における前記第2円形状貫通孔の内周面の全域に接続されており、
前記第1エッチングストッパ膜および前記第2エッチングストッパ膜は、導電性を有しかつ前記金属薄膜抵抗体のエッチング速度よりエッチング速度が遅い材料からなる、半導体装置。 - 前記第1バリアメタル層の底面は、前記第1エッチングストッパ膜の上面に面接触しており、
前記第2バリアメタル層の底面は、前記第2エッチングストッパ膜の上面に面接触している、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記金属薄膜抵抗体が、
前記第1エッチングストッパ膜の外表面における前記第1コンタクトホールとの接続部を除いた全域および前記第1層間絶縁膜の表面における前記第1エッチングストッパ膜の周囲領域を覆う第1部分と、
前記第2エッチングストッパ膜の外表面における前記第2コンタクトホールとの接続部を除いた全域および前記第1層間絶縁膜の表面における前記第2エッチングストッパ膜の周囲領域を覆う第2部分と、
前記第1部分と前記第2部分とを接続する第3部分とを含む、請求項1または2に記載の半導体装置。 - 前記第1エッチングストッパ膜の外表面が、前記第1エッチングストッパ膜の側面および上面からなり、
前記第2エッチングストッパ膜の外表面が、前記第2エッチングストッパ膜の側面および上面からなる、請求項3に記載の半導体装置。 - 前記金属薄膜抵抗体がTaNまたはSiCrからなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1エッチングストッパ膜および前記第2エッチングストッパ膜がTiNからなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記金属薄膜抵抗体の厚さが2nm以上10nm以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1エッチングストッパ膜および第2エッチングストッパ膜の厚さが10nm以上80nm以下である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1層間絶縁膜の下方にある第3層間絶縁膜上に形成された下部電極および前記第1層間絶縁膜上に前記下部電極に対向して形成された上部電極を含むキャパシタをさらに含み、前記上部電極が前記第1および第2エッチングストッパ膜と同じ工程で形成されている、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 第1層間絶縁膜上に、第1エッチングストッパ膜および第2エッチングストッパ膜を離間させて形成する工程と、
前記第1層間絶縁膜上に、第1エッチングストッパ膜と第2エッチングストッパ膜とに跨るように、金属薄膜抵抗体を形成する工程と、
前記第1層間絶縁膜上に、前記第1エッチングストッパ膜、前記第2エッチングストッパ膜および前記金属薄膜抵抗体を覆う第2層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2層間絶縁膜上に、エッチングにより、前記第2層間絶縁膜の表面から前記金属薄膜抵抗体を貫通して前記第1エッチングストッパ膜に達する第1コンタクトホールと、前記第2層間絶縁膜の表面から前記金属薄膜抵抗体を貫通して前記第2エッチングストッパ膜に達する第2コンタクトホールとを形成することによって、前記金属薄膜抵抗体に、前記第1コンタクトホールが貫通する第1円形状貫通孔と前記第2コンタクトホールが貫通する第2円形状貫通孔とが形成される工程と、
前記第1コンタクトホール内に底面および内周面に第1バリアメタル層を形成するとともに前記第2コンタクトホール内に底面および内周面に第2バリアメタル層を形成することにより、前記第1バリアメタル層の底面が前記第1エッチングストッパ膜に接続され、前記第1バリアメタル層の下端部の外周面が前記金属薄膜抵抗体における前記第1円形状貫通孔の内周面の全域に接続され、前記第2コンタクトプラグの底面が前記第2エッチングストッパ膜に接続され、前記第2コンタクトプラグの下端部の外周面が前記金属薄膜抵抗体における前記第2円形状貫通孔の内周面の全域に接続される工程と、
前記第1バリアメタル層が内面に形成された前記第1コンタクトホール内に第1金属プラグを埋め込むとともに前記第2バリアメタル層が内面に形成された前記第2コンタクトホール内に第2金属プラグを埋め込む工程とを含み、
前記第1エッチングストッパ膜および前記第2エッチングストッパ膜は、導電性を有しかつ前記金属薄膜抵抗体のエッチング速度よりエッチング速度が遅い材料からなる、半導体装置の製造方法。 - 前記第1バリアメタル層の底面は、前記第1エッチングストッパ膜の上面に面接触しており、
前記第2バリアメタル層の底面は、前記第2エッチングストッパ膜の上面に面接触している、請求項10に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記金属薄膜抵抗体がTaNまたはSiCrからなり、前記第1エッチングストッパ膜および前記第2エッチングストッパ膜がTiNからなる、請求項10または11に記載の半導体装置の製造方法。
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